紅巨星

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紅巨星和太陽的比較

红巨星巨星的一种,是恆星的一種衰變狀態,根据恒星质量的不同,存在期只有数百万年不等。质量通常约为0.5至8个太阳质量,质量更大的称为红超巨星

分类特征[编辑]

赫羅圖上,紅巨星是巨大的非主序星光譜屬於K或M型。所以被稱為紅巨星是因為看起來的顏色是紅的,體積又很巨大的緣故。鯨魚座薴藁增二金牛座畢宿五牧夫座大角星等都是紅巨星;而天蠍座心宿二獵戶座參宿四大犬座VY等则是紅超巨星。

大部分的红巨星,其核心是未聚变的氦,能量由氦核外的氢燃烧包层提供,它们在图上构成了红巨星分支(RGB星)。另外一些,其核心是碳等更重的元素,外部是在燃烧的氦包层和氢包层,它们构成了图上水平的渐近巨星分支(AGB星)。在恒星大气中碳含量比氧含量还高的碳星中,AGB星的光谱类型一般属于C-N到C-R型。

演化[编辑]

哈勃於1997年拍攝的紅巨星蒭藁增二。
膨脹過程

質量在太陽的0.5至7倍之間的恆星,在耗盡了核心的燃料之後,燃燒將會移至核心外圍的氫氣層。因為惰性的核本身沒有能源,便因為重力而收縮並被加熱,在上面的氫也會跟著一起收縮,因此融合的速度會增加,產生更多的能量,導致恆星變得更為明亮(比原來亮1,000~10,000倍)並且使体积膨胀。体积膨胀的程度超過發光能力的增加,因此表面的有效溫度下降。表面溫度的下降使得恆星的顏色傾向紅色,因此稱為紅巨星。理論上,恆星光譜從A至K的主序星會演化成為紅巨星及红超巨星,而O與B型的恆星會成為蓝超巨星(与红巨星演化有很多不同处)。

當恆星的核心持续收缩到足以點燃3氦过程的密度和温度条件,氦融合就会启动。

对质量小于2.5倍太阳的恒星而言,氦核心需要持续收缩以对抗越来越多的核心的氦积聚,对抗重力的唯有电子简并压力。所以,当温度上升到~1亿度的点燃温度时,早已是类似“白矮星”一般的简并态致密核。这样的氦燃烧无法及时通过热膨胀把能量传输出去,就会出现热失控氦闪,大约在1分钟内,氦核的大部分都聚变为碳核(以及后续的氧核),并向恒星外层传输出巨量的能量,导致恒星突然性变亮,并持续一个短周期。然后,核心又不再产生能量,外层的氫在較淺的位置上以較複雜的方式繼續聚變成氦。恒星核心再次缓慢积聚氦,较长的一段时间后,類似的氦闪又在富含碳-氧内核外的氦包层中再次發生。這時的恆星就位于赫羅圖上的漸近巨星分支上,每次氦闪后,从一个红巨星分支进入另一个分支。[1][2][3]

大于太陽質量2.57倍的恆星,由于氢核聚变速度更快、核心更热,氦聚變可以在核心尚未收缩到白矮星密度的简并态前就点燃,整个核反應會比較平順與持續的進行。当這類恆星初始的重元素含量较低(“贫金属”星)时,它们將進入水平分支——這些恆星在赫羅圖上的位置是水平的分布。富含金屬的恆星在這個階段則群聚成赫羅圖上的紅群聚[4]

不经历红巨星阶段的恒星[编辑]

質量很低的红矮星(<0.5个太阳质量)只有對流層,恒星处于完全对流状态,[5],恒星的元素丰度基本各处相同。由于核心的温度本来就不是很高,而且质量太小,整个恒星无需过于收缩以顶住引力。所以這些恆星既使到了晚期氢丰度不是很高的情况下,也不能通过收缩讓累積在核心的氦达到核聚變的温度,既使用盡了氫也不能成為紅巨星。[6]由于它们的主序星阶段生命远远长于我们宇宙的年龄,这类恒星的演化仅是理论上的,并无观测实例。

质量极高的O、B型星(25个太阳质量以上),其主序星阶段就位于赫罗图的左上角顶端,属于蓝巨星甚至蓝超巨星。它们将一直在赫罗图的最上方水平移动,氦融合开始后可能成为高光度蓝变星,也可能成为沃尔夫-拉叶星。接着它们就以Ⅱ型或Ⅰb、Ⅰc型超新星爆發结束其短暂的生命。

紅巨星的太陽[编辑]

比较当前作为主序星的太阳和将来成为红巨星的太阳。

大約在50到75億年後,太陽將成為紅巨星,[7]經過科學家們的計算,屆時太陽將變得異常巨大,足以吞噬掉目前太陽系裡,包括地球大概火星以內的內側行星[8][9][10]然而,太陽的引力也會因為質量的減少而減弱,因此火星和所有的外行星,都會往外移。在這時候水星金星都差不多一定會被太陽吞噬掉。地球的命運不是很清楚。要是沒有潮汐力的話,那地球的軌道就會往外逃到差不多1.5天文單位。但近來研究發現因為地球和太陽有潮汐力地球還是會被太陽的外氣層吞噬掉。可是在此之前,當太陽的耗盡時,地球的生物圈將會被破壞,額外增加的太陽能也將造成地球海洋的蒸發。過30億年以後,地球的表面將變得如同金星一般高熱。再50億年以後,地球的空氣已經往外太空逸散掉了,最後地球變成焦黑的行星。[11]

小說中的紅巨星[编辑]

  • 超人的漫畫書中,毀滅了的超人出生地克利普頓星所在的行星系即是繞著紅巨星運行,而故事情節裡則設定超人的力量來源取源於地球所環繞的黃色太陽。

參考[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ Our Sun. III. Present and Future,2006年11月18日更新。
  2. ^ lecture18,2006年11月18日更新。
  3. ^ Lecture 16: Low-Mass Stellar Evolution,2006年11月18日更新。
  4. ^ orange sphere of the sun
  5. ^ The Astrophysics Spectator: Main Sequence Star,2006年11月18日更新。
  6. ^ Late stages of evolution for low-mass stars,2006年11月18日更新。
  7. ^ Our Sun. III. Present and Future,by Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I., & Kraemer, K. E., Astrophysical Journal v.418, p.457
  8. ^ Red Giants. HyperPhysics(hosted by the Department of Physics and Astronomy of Georgia State University). [2006-12-29]. 
  9. ^ Strobel, Nick. Stages 5-7. Lives and Deaths of Stars. 2004-06-02 [2006-12-29]. 
  10. ^ The fading: red giants and white dwarfs. [2006-12-29]. 
  11. ^ Earth may still be vanish before sun expands further on

參考文獻[编辑]

  • Norbert Langer: Leben und Sterben der Sterne. C.H.Beck'sche Verlagsbuchhandlung, München 1995. ISBN 3-406-39720-4. (德文)