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標題: 恆星嘉年華 [打印本頁]

作者: super3g 時間: 2019-5-6 02:20 AM 標題: 恆星嘉年華

恆星嘉年華
宇宙就像個超大村落，無數的星星居民在其中歷經生老病死；而且就如同人類世界的各色人種般，這些村民也各具色彩，還有雙胞胎、多胞胎、巨人族和哈比族！

撰文／陳文屏

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事情曾經很簡單，天上的星星彼此相對位置恆久不變的稱為「恆星」，而看起來似乎在恆星之間行走的稱為「行星」。金、木、水、火、土這五行，人類已經觀察幾千年了。

接著事情開始有點複雜了，人們發現地球也是行星之一；望遠鏡發明以後，又找到天王、海王，以及冥王星，所以人們曾經認為共有九顆行星繞著太陽運轉。這時候我們說太陽是恆星，因為它靠著核反應而自行發光，行星則繞行太陽，靠反射陽光而明亮。還有些小天體也繞著太陽轉，於是它們被稱為「小行星」。後來，人們知道其他恆星周圍也有行星繞行，目前已經發現百來個這樣的「太陽系」。

近幾年，天文學家又發現海王星軌道之外其實還有好多天體，有的甚至比冥王星還大。這下有問題了，我們是把比冥王星大而又繞行太陽運行的也稱為行星呢？還是因為冥王星甚至比月球還來得小，所以乾脆把冥王星從行星除名？如果有小型天體並沒有繞行任何恆星，而在太空中自由遊走，我們又要怎麼稱呼這些天體呢？

太陽的生與死

太陽源於一團星際雲氣。雲氣由於本身萬有引力收縮而使溫度升高，若是溫度高到足以點燃核反應，簡單的原子核便結合成為較複雜的原子核，例如氫原子核（也就是質子）彼此連鎖反應而形成氦原子核，同時釋放出能量，這就是「核熔合反應」，一顆自行發光的恆星於焉誕生。

乍聽之下這似乎順理成章，但若仔細推敲，卻會發覺其中蹊蹺，因為質子帶正電，彼此之間存在排斥電力，距離越近排斥力越大，根本無法相互接近，要如何能夠熔合在一起呢？更進一步想，一般原子核當中聚集了大量的質子，它們不也應該彼此排斥嗎？原來，在極高溫的環境裡，氣體運動快速，使得質子有機會彼此接近，若是距離接近原子核尺度時，它們之間會產生相吸的強作用力，遠大於排斥的電力，而熔合成比較複雜的原子核，新的原子核把自己「抓」得比較緊，因此釋放出能量。所以要引發核熔合反應的關鍵，在於必須擁有極高溫的環境，氫原子核的熔合反應，大約需要數百萬度以上。環境溫度越高，熱熔合反應的速率便呈倍數增快，所釋放的能量也就會急遽增加。

太陽的直徑約140萬公里，只有在核心處溫度才高到足以進行核反應，超過半徑1/4以外的區域，便不再有核反應。在核心的熔合反應會產生γ射線（能量）向外傳遞，越往外面溫度越低，到太陽表面時，溫度約5500℃。核心產生的能量傳播到各區域，使氣體能夠快速運動，彼此碰撞的支撐力量（也就是氣體熱壓力）得以平衡向內的萬有引力，而達到平衡狀態。太陽的體積龐大，核心所包含的氫足以讓它持續照耀約100億年，據估計太陽已經發光了近50億年，也就是已經過了大半輩子。一旦核心區域的氫全部變成了氦，提供能量的機制消失，氣體壓力再也無法抵擋萬有引力，太陽的核心便會向內塌縮，開始走向衰亡之路。

太陽核心的氫氣雖然消耗殆盡，但其實外圍還有氫氣，核心與外圍兩部份從此有不同的演化命運。核心一旦塌縮，溫度再度上升，要是核心夠大，溫度便能升高到足以引發氦的熔合反應，星體再度有了向外支撐的力量。但是核反應速度太快，加上氦元素含量又少，這樣的平衡維持不久，於是核心再度收縮。質量夠大的核心可能引發一連串核反應，最後剩下由鐵元素構成的核心。這是核熔合的終點，因為熔合比鐵還重的元素並不會釋放能量，反而需要注入能量。

我們日常生活看到的東西可以分解成個別的原子，原子的構造包括一個非常緊密的原子核，外面圍繞著電子。當太陽核心燃料用完後，萬有引力會將電子擠壓到緊貼著原子核的表面，而得以再度撐住星體內縮的趨勢。如此構成的星體，物質擠壓得非常緊，體積很小，但溫度很高，天文學家稱之為「白矮星」（white dwarf）。小指尖大小（1c.c.）的白矮星物質重達上百公噸，相當於一輛貨櫃車！

天文學家喜歡用不同顏色來表示星體的表面溫度，例如以藍、白表示熾熱，而紅、棕表示溫、冷；另外用擬人法，以巨大或矮小表示星體的大小。例如前述太陽核心塌縮成為白矮星，但是同時外圍的氫氣則膨脹而且溫度下降，成為「紅巨星」（red giant）。當太陽演化成為紅巨星時，龐大的體積連地球都將被吞噬。白矮星已經不再進行任何核反應了，因此其命運就是逐漸冷卻，光度也下降，最後就變成「黑矮星」（black dwarf）。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2016 年第 921 期 11 月號】

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