【天体物理】你所不知道的恒星变化之后会是什么样?

追风少年

即使是一颗恒星，像太阳一样，在它的一生中也会有很大的变化。那么，应该怎么解释我们今天看到差异巨大的恒星大小呢?

如果你将地球与太阳进行比较，你会发现，你必须将109个地球的顶部叠加在一起，才能从太阳的一端到另一端。然而，有的恒星比地球小得多。而有的比地球绕太阳的轨道还要大得多！这是怎么可能的，又是什么决定了恒星的大小?
为什么恒星会成长为……许多不同的尺寸?也就是说，从比木星略大的行星到太阳超过木星的轨道?
这是一个比你想象的更棘手的问题，因为在很大程度上，我们看不到一个恒星的大小。



在夜空中，一个深邃的、望远镜的图像清晰地显示出不同颜色和亮度的恒星，但这里所显示的所有恒星都只显示出点。由于观测摄像机的饱和，尺寸上的差异是视错觉。

即使是通过望远镜，大多数的星星也因为它们与我们惊人的距离而显得很简单。它们在颜色和亮度上的差异是很容易看到的，但是大小是完全不同的。一个特定大小的物体，一个特定的距离，将会有一个被称为角直径的东西:它在天空中呈现的明显的大小。最接近太阳的恒星，半人马座阿尔法星，距离太阳只有4.3光年，实际上比太阳半径大22%。



这两颗类似太阳的恒星，半人马座A和B，距离我们只有4.37光年，在我们太阳系的土星和海王星之间的轨道上运行。然而，即使在这幅哈勃图像中，它们也仅仅是超饱和点源;表面是看不到的。

然而，在我们看来，它的角直径仅为0.007弧秒，它需要60弧秒才能制造一个弧分钟，60弧分钟才能获得1度，而360度则可以形成一个完整的圆。即使是像哈勃望远镜这样的望远镜也只能解决大约0.05个问题。在宇宙中，只有很少的恒星能够真正地解决这个问题。这些恒星往往是靠近恒星的巨型恒星，如贝特勒格斯或R多拉多斯，它们是整个天空中直径最大的恒星之一。



猎户座α星，这是一种非常非常大的恒星的射电图像，它的光晕覆盖范围很广。这是地球上观测到的最少量的恒星之一。

幸运的是，有一些间接的测量方法可以让我们计算出恒星的物理大小，这些都是非常可靠的。如果你有一个非常热的球形物体，它会发出辐射，那么恒星发出的辐射总量只有两件事:物体的温度和它的物理大小。这样做的原因是，唯一向宇宙发出光的地方是恒星的表面，而球体的表面积总是遵循同样的公式:4r2，r是球体的半径。如果你能测量恒星的距离，它的温度，以及它的亮度，你可以通过运用物理定律知道它的半径(因此，它的大小)。



这是对红巨星乌伊斯库鲁蒂拍摄的照片，它是通过卢瑟福天文台的望远镜进行处理的。这颗明亮的恒星在大多数望远镜中可能仍然只是一个“点”，但它是目前已知的最大的恒星。

当我们进行观测时，我们发现一些恒星的体积小到只有几十公里，而另一些恒星的大小则高达太阳的1500倍。在超级巨星中，最大的一颗是UY Scuti，直径约24亿公里，比木星绕太阳的轨道要大。问题是，这些极端的恒星的例子并不适合我们的太阳这样的恒星。当然，最常见的恒星类型是像我们的太阳这样的主序恒星:一颗主要由氢组成的恒星，通过将氢与氦的核心结合而获得能量。它们的尺寸很大，由恒星本身的质量决定。



在我们的银河系中发现了一个年轻的恒星形成区域。当气体云在引力上塌缩时，原恒星会升温并变得更密集，最终会在核心中点燃聚变。

每当形成一颗恒星时，引力收缩会导致势能(重力势能)转换成恒星核心的动能(热量/运动)。如果有足够的质量，温度就会足够高，足以在最内层的区域点燃核聚变，因为氢核会经历一个链式反应，转化成氦。在质量较低的恒星中，只有很小一部分的中心会达到400万K（开尔文）的阈值并进行聚变，这将会是非常缓慢的速率。另一方面，最大的恒星可能是太阳质量的数百倍，并达到数百万度的核心温度，将氢聚变成氦的速度是太阳的数百万倍。



(现代)摩根-基南光谱分类系统，其温度范围在每一个恒星类的温度范围内，用开尔文表示。今天，绝大多数(75%)的恒星都是m级恒星，只有1/800的恒星足够大，足以成为超新星。
从这个意义上说，最小的恒星具有最小的外通量和辐射压力，而质量越大的恒星则外通量和辐射压力越大。这种向外辐射的能量是使恒星与引力坍缩的结果，但你可能会惊讶地发现，这个距离是相对狭窄的。质量最低的红矮星，比如比邻星和VB 10，只有太阳大小的10%;比木星稍大一点。另一方面，最大的蓝色巨人，R136a1，是太阳质量的250倍。但是只有太阳直径的30倍。如果你将氢聚变为氦，那么恒星不会因其大小而变化。



在巨大的马云星云中的蜘蛛星云中，星团的136(R136)是已知的最大质量恒星的家园。R136a1是最大的，是太阳质量的250倍。

但是并不是所有的恒星都将氢聚变为氦！最小的恒星根本不会融合任何东西，而最大的恒星则会进入一个更有活力的生命阶段。我们可以分解大小范围内的恒星类型，我们发现的是五个泛型类:
中子星:这些超新星残骸包含了1-3个太阳的质量，但基本上被压缩成一个巨大的原子核。它们仍然会放射出辐射，但由于其极小的尺寸，它们的辐射剂量很小。一颗典型的中子星大概有20-100千米的大小。
白矮星:当一颗类似太阳的恒星在其内核中耗尽最后一颗氦燃料时形成，外层在内部层收缩时就会被吹走。一般来说，白矮星的质量是太阳质量的0.5到1.4倍，但它只是地球的物理体积:约1万公里，由高度压缩的原子组成。
主序星:这些恒星包括红矮星，类太阳的恒星，以及我们之前讨论过的蓝色巨兽。从大约10万公里到3000万公里，它们覆盖了相当大的范围，但即使是最大的一个，如果它取代了太阳，也不会吞没水星。
红巨星:那么，当你的核心里的氢耗尽时，会发生什么呢?如果你不是红矮星(在这种情况下，你会变成白矮星)，引力收缩会使你的内核升温，以至于你开始把氦聚变为碳。哦，把氦聚变形成碳释放的能量比普通的旧氢聚变释放的能量要多，这就导致了恒星的膨胀。简单的物理现象是，在恒星边缘的外力(辐射)必须平衡内部的力(引力)以保持恒星的稳定，并且有一个大得多的外力，你的恒星必须要大得多。红巨星的直径一般在100-1.5亿公里左右，大到足以吞没水星、金星和地球。
超级巨星:最大型的恒星将超越氦聚变，并开始在其核心中融合更重的元素，如碳、氧、甚至硅和硫。这些恒星注定要成为超新星和/或黑洞的命运，但是在它们到达那里之前，它们膨胀到巨大的尺寸，可以扩展到10亿(10亿)千米或更多。这些恒星是所有行星中最大的，就像Betelgeuse，它们会吞没所有的岩石行星，小行星带，如果它们要取代我们的太阳的话，最大的行星甚至会吞噬木星。



今天的太阳与巨行星相比是很小的，但在红巨星阶段，它的大小将会增加到大角星的大小。像Antares这样的巨型超级巨人将永远无法超越我们的太阳。

对于最微小的恒星，像中子星和白矮星这样的残余物，它们被困的能量只能通过一个微小的表面区域来逃脱，这一区域使它们的亮度保持了这么长时间。但是对于其他所有的恒星来说，它们的大小是由这个简单的平衡决定的:来自外部辐射的力，在表面上，必须等于引力的内拉。更大的辐射力意味着恒星膨胀到更大的尺寸，最大的恒星膨胀到数十亿公里。

如果计算是正确的，当它膨胀成一个红巨星的时候，地球就不会被太阳吞没。然而，它会变得非常、非常热。

事实上，随着太阳的老化，它的核心温度会升高，并且随着时间的推移，它会不断膨胀和变热。在10或20亿年的时间里，它将足够热，足以使地球的海洋沸腾，除非我们采取措施将地球的轨道迁移到安全的地方。若给它足够的时间，就会膨胀成一个红巨星。在几亿年的时间里，我们会比一些最庞大的恒星更大更亮。尽管这可能是令人印象深刻的，但别被愚弄了:在天文学领域，大小是重要的，但它不是唯一的指标。最小的中子星和最大的超级巨星，以及许多白矮星和主序星，仍然会比成为红巨星的太阳的质量更大！

主编圈点：并不是所有的恒星都将氢聚变为氦！最小的恒星根本不会融合任何东西，而最大的恒星则会进入一个更有活力的生命阶段！

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