4 各種各樣的恒星

恒星提供了使星系變得可見的幾乎所有的光。恒星是一個巨大的球形氣體聚集體，包含了大量的在其核心發(fā)生核聚變的物質(zhì)。在聚變過程中，較輕的原子合并形成較重的原子，釋放出大量能量。大部分的恒星都依賴于氫形成氦的過程。氫生成氦的聚變的發(fā)生是因?yàn)橥獠课镔|(zhì)的重量為氫核接近到能夠發(fā)生核聚變的程度提供了足夠的壓力。并不是所有的恒星都以這種方式產(chǎn)生能量。如果一顆恒星無法積累足夠的物質(zhì)開始這種反應(yīng)，它就被稱為褐矮星。恒星也可以是完成其核能產(chǎn)生階段后的熱殘余，例如白矮星和中子星。

恒星的大小和亮度非常不同，抬頭看看夜空中就知道有多少不同亮度的恒星。其中在夜空中的一些亮度變化是由于單個恒星到達(dá)我們距離的差異造成的。天空中最亮的恒星通常按照一定的圖樣來辨識，這被稱為星座。盡管這些最亮的恒星有其俗稱，天文學(xué)家們?nèi)园凑账鼈兯诘男亲Y以對應(yīng)每顆恒星的希臘字母標(biāo)示它們，后綴從α開始，對應(yīng)星座中最亮的恒星。

恒星和星系

各種各樣的恒星與螺旋星系（例如太陽所在的銀河系）中的各種不同區(qū)域相關(guān)。螺旋星系有著凸起的核以及由恒星構(gòu)成的扁平圓盤。存在于螺旋星系球核中的大量恒星主要是老年恒星，它們被稱為II族恒星，是在星系年輕時形成的。這些恒星上缺少比氦更重的化學(xué)元素（金屬），這些元素只能在早期的大質(zhì)量恒星的爆炸中產(chǎn)生。凸起的核中的恒星軌道由于星系的自轉(zhuǎn)被拉平。在彩色照片中，螺旋星系的核區(qū)呈現(xiàn)出黃色，這也是恒星成熟的標(biāo)志。

年輕和年老的恒星都存在于星系盤中，這一盤狀結(jié)構(gòu)的最主要特征就是旋臂。盤中包含著非常年輕的大質(zhì)量恒星，其中的一些不到100萬歲并且具有很高的亮度，因此它們的亮度蓋過盤中的其他恒星。這些年輕恒星的溫度很高，以至于發(fā)出強(qiáng)烈的明亮藍(lán)光，在彩色照片上清晰可見。它們與其他的一些較輕恒星如太陽一起，被稱為I族恒星。與年老并且缺少金屬的II族恒星不同，它們包含有金屬，當(dāng)更老的恒星爆炸時，它們增加了星際間介質(zhì)的含量。

星系盤中的恒星在環(huán)繞星系中心的軌道上運(yùn)行。標(biāo)示出旋臂的藍(lán)色巨大恒星在旋臂的前沿生成。在這里，星際介質(zhì)被壓縮到足以發(fā)生崩塌形成新恒星的程度。大質(zhì)量恒星生命周期很短，在幾百萬年后它們以超新星的形式爆炸。這發(fā)生在旋臂的后緣，這些恒星甚至沒能完成環(huán)繞所在星系一周。

太陽等較暗的小質(zhì)量恒星（它們由于被大質(zhì)量恒星的光蓋過，并不容易被看到）在數(shù)十億年間穩(wěn)定地發(fā)光并且環(huán)繞星系核數(shù)次。在這一過程中，它們不斷地進(jìn)出旋臂，并不受旋臂中發(fā)生的過程的影響。隨著恒星的生成過程繞整個星系運(yùn)動，懸臂看起來發(fā)生了轉(zhuǎn)動。這一旋轉(zhuǎn)與恒星的單個軌道實(shí)際上是不相關(guān)的。

在星系的暈中同樣存在著恒星。除了存在球狀星團(tuán)中年老且缺少金屬的Ⅱ族恒星，還存在著游蕩于這一區(qū)域?qū)儆谥餍窍档膯蝹€恒星。這些恒星周期性地穿過星系盤，被稱為高速恒星，這是由于它們在相對于星系盤面呈大角度的方向上速度較快——盡管它們并不比周圍的恒星移動得更快。具有垂直高速特征的鄰近太陽的恒星只是鄰近太陽系的短期訪客，它們很快就會回到銀暈中。在那里，它們將繼續(xù)沿著軌道運(yùn)行，直至來自星系核的引力再次使它們穿越星系盤進(jìn)入星系暈的另一半球。

太陽

地球和其他七顆行星環(huán)繞著一顆恒星——太陽旋轉(zhuǎn)。太陽是一顆普通的恒星，但與夜空的恒星很不相同，這是因?yàn)樗x我們十分近——距地球1.496億千米。太陽有著地球100倍以上的直徑，以及將近30萬倍的質(zhì)量。

不同于巖狀的地球，太陽由73%的氫和25%的氦構(gòu)成，剩余的2%為更重的元素。太陽是一顆I族恒星，位于星系的旋臂中。

太陽是一顆典型的恒星，它發(fā)光的時間剛超過了45億年，正處于“中年”時期，并且將再持續(xù)45億年。它有一個內(nèi)核（直徑40萬千米），在其內(nèi)部發(fā)生著由氫轉(zhuǎn)為氦的核聚變，并且伴隨著大量的能量以熱量、光和中微子的形式釋放出來。與宇宙中的其他恒星相比，太陽的大小和亮度都不突出。

由于是氣體組成的，太陽沒有固體表面。地球上的觀測者看到的太陽的可見表面實(shí)際上是存在使可見光波長電磁輻射發(fā)射出來的氣體層。通過在其他波長上——例如X射線、紫外線等——觀察太陽，使得我們能夠看到位于可見表面（被稱為光球?qū)樱┲虾椭碌奶枴氨砻妗薄@取決于觀測到的波長。光球?qū)拥蜏厣喜亢蜕驅(qū)酉虏繗怏w區(qū)域中的原子和離子造成了太陽光譜中顯示在太陽光線上的原子吸收暗線。這些區(qū)域構(gòu)成了太陽大氣層的最底層，其上部是更為稀薄的日冕。

光球?qū)又杏兄芏嘤腥さ奶卣鳎渲械拇蟛糠质怯伤姆N基本自然作用力之一的電磁力影響著的。光球?qū)由系牡蜏貐^(qū)域被稱為太陽黑子，它們是在磁場線穿過光球?qū)硬⑶医档推渲車鷼怏w的溫度時產(chǎn)生的。其他由磁場造成的現(xiàn)象有耀斑和日珥。當(dāng)磁場所含的能量突然被釋放時，在太陽黑子之上就會產(chǎn)生耀斑。這使得亞原子粒子以較接近光速的速度被拋出，并且自發(fā)地釋放出所有形式的電磁輻射。日珥發(fā)生在磁場將氣體送到色球?qū)又校傺卮艌鼍€使其垂下時，有時間隔相對較長的時間發(fā)生一次，其他時候每分鐘都會發(fā)生。

光球?qū)颖旧砭褪莿討B(tài)的，巨大的對流氣泡像在煮沸的牛奶中一樣不斷升起和落下，從而“表面”也隨之持續(xù)波動。光球?qū)拥臏囟却蠹s為6000K。

除了電磁輻射之外，太陽也一陣陣地釋放出亞原子粒子，這就是所謂的太陽風(fēng)。粒子沿著磁場線被加速拋入宇宙中，如果這些粒子與行星的磁場相遇，它們將被捕獲。當(dāng)發(fā)生在進(jìn)入地球磁場中的粒子上時就被稱為極光。太陽風(fēng)也造成彗星彗尾的產(chǎn)生。

巨星和矮星

恒星不能夠僅僅按照光譜分類去歸類。盡管溫度是一個區(qū)別恒星的捷徑，但它并沒有給出關(guān)于恒星大小的任何信息：氫燃料恒星的大小可以從太陽半徑的約1/10到太陽半徑的100倍。隨著恒星年齡的增長，一些恒星的半徑增加到太陽半徑的1000倍；恒星的質(zhì)量從太陽的0.08倍直到100倍。但恒星具有太陽10倍以上質(zhì)量的情況比較少見。

兩顆具有不同大小的相同溫度恒星有著不同的亮度，這在它們的光譜中難以發(fā)現(xiàn)。為了區(qū)分這些差異，采用了一個五亮度等級的系統(tǒng)：I組恒星為超巨星；II組為亮巨星；III組為巨星；IV組為亞巨星；以及V組的“主序”恒星。主序分類包括了后光譜類型（G、K、M）矮星，它們以氫為燃料，例如太陽是被歸為G2類的一顆黃矮星。分類為K或M的所有主序恒星都是紅矮星。白矮星是恒星的遺跡，不包括在這一體系中。

“主序”這一名稱來自于天文學(xué)家用以記錄已知恒星特征而設(shè)計(jì)出的單張圖表的時候。這幅圖表名為赫羅圖，它將恒星按照亮度和溫度的關(guān)系顯示于其上。

太陽位于赫羅圖上太陽亮度與太陽光球?qū)訙囟取?800K的交會點(diǎn)上。如果將其他恒星也畫在這張圖上，可以明顯看到大部分恒星位于一條從右下角低亮度的紅矮星向上通過太陽的位置，再到達(dá)左上角高亮度的藍(lán)色恒星位置的S形帶上。這就是主序，在這里恒星度過其生命周期中的大部分時間。主序?qū)?yīng)穩(wěn)定的氫燃料“中年”時期。

隨著恒星年齡增加，它逐漸從主序離開，這是因?yàn)樗牧炼仁怯伤诵牟糠謿涞胶さ暮司圩冡尫诺哪芰克a(chǎn)生的，當(dāng)氫的燃燒停止而氦開始燃燒時，恒星所釋放能量的量發(fā)生變化，這一內(nèi)部的變化導(dǎo)致了恒星外部也隨之變化，恒星因此改變了它的亮度和溫度——亮度增加而溫度下降，因此它將移動到赫羅圖的右上部分，這一部分主要為紅巨星。處于生命最后時期的老年恒星占據(jù)了這一區(qū)域。

在所有的核反應(yīng)停止后，大多數(shù)恒星結(jié)束于圖的左下角部分，在這里包含了白矮星和恒星遺跡。

雙星和多元恒星

大多數(shù)恒星都不是獨(dú)立存在的，它們有伴星并互相環(huán)繞運(yùn)行。我們偶爾能夠通過一架望遠(yuǎn)鏡看到兩顆伴星，在這一情況下恒星被稱為目視雙星。然而不是所有看起來很接近的恒星都是真正的雙星，一些恒星互不相關(guān)并且相距很遠(yuǎn)，但由于它們位于從地球出發(fā)的同一方向上，使得它們看起來在空中相距很近。真正的雙星是由引力作用束縛在一起的兩顆恒星，它們可能開始時是兩顆原恒星，也可以是由一顆原恒星分裂開形成的。

雙星中兩顆恒星互相環(huán)繞的時間是高度變化的，它取決于許多因素，例如兩顆恒星的質(zhì)量、它們質(zhì)量的比例、它們之間的距離以及它們所處的演化階段。一些恒星環(huán)繞另一顆恒星僅需幾天而另一些甚至需要幾個世紀(jì)。

很多的雙星不能作為目視雙星被看到，這可能是由于該恒星系統(tǒng)距離過于遙遠(yuǎn)而無法區(qū)分兩顆恒星，也可能是它相對較近但兩顆成員恒星間的距離又太近。有時其中一顆恒星十分昏暗，從而另一顆恒星蓋過了它的光芒。

雙星系統(tǒng)中的恒星相互環(huán)繞它們共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)——每個恒星都不是靜止的。如果這一振蕩運(yùn)動能夠結(jié)合恒星的背景被探測出來，就表明更小更灰暗的伴星正繞著更大更明亮的伴星旋轉(zhuǎn)。這樣的恒星對被稱為天文雙星。

發(fā)現(xiàn)雙星的另一種方法是研究它們的光譜，光譜吸收線可能暗示了具有不同光譜分類的兩顆恒星的存在。即使它們是同樣的類型，它們的運(yùn)動也會導(dǎo)致譜線的波長變化。這是因?yàn)橐苿又械奈矬w發(fā)出的輻射波長將被拉伸或壓縮，這取決于物體是否正在靠近或是遠(yuǎn)離，這一現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。恒星朝著不同方向運(yùn)動，導(dǎo)致了譜線不同程度地改變了它們的波長。于是，在單次的沿軌道環(huán)繞過程中，就產(chǎn)生了譜線兩次分離后合并的現(xiàn)象。

如果伴星過于昏暗，它的光譜將被較亮的恒星所覆蓋。但這樣的光譜中同樣存在多普勒頻移，從而伴星的存在能由此顯示出來，這樣的系統(tǒng)被稱為光譜雙星。

雙星系統(tǒng)為天文學(xué)家測量恒星重量提供了機(jī)會。為了達(dá)到這一目的，恒星間的距離以及它們互相環(huán)繞一周所需的時間必須被測量出來。通過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算，能夠得到兩顆恒星的總質(zhì)量，于是就能作出對其中哪顆恒星具有大部分質(zhì)量的估計(jì)。如果兩顆恒星完全相同，那么就能夠簡單地將得出的數(shù)字分半。

三星系統(tǒng)與四星乃至更多恒星組成的系統(tǒng)也是已知的。多星系統(tǒng)中的恒星越多，這樣的系統(tǒng)也就越少。已知恒星中超過一半的恒星是存在于雙星系統(tǒng)或者是六星系統(tǒng)中的。

變星

如果雙星系統(tǒng)的軌道平面?zhèn)认虻厍颍瑑深w恒星將會周期性地發(fā)生交食，其中一顆恒星擋住伴星發(fā)出的光線。這使得系統(tǒng)的亮度發(fā)生變化，變化取決于兩顆被涉及恒星的相對亮度：它們之間發(fā)生全食還是偏食；它們是否處于質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程中并產(chǎn)生高溫的亮點(diǎn)。亮度變化的圖形被稱為光變曲線，它在不同條件下有著不同的形狀。

一些個體的恒星本身亮度也發(fā)生變化，這表明發(fā)生在這一變星的內(nèi)部進(jìn)程。變星總共有兩大類——脈動變星和爆發(fā)變星。脈動變星固定周期性地改變亮度，伴隨著恒星“表面”的脈動——實(shí)際上是恒星的擴(kuò)張和收縮。造父變星是以固定方式脈動的黃巨星，它們十分明亮且易于辨認(rèn)，通常被用于確認(rèn)鄰近星系的距離。造父變星有兩種類型，II型造父變星——處女座W型恒星——比I型更暗。紅巨星也傾向于發(fā)生變化，就被稱為米拉型變星。米拉型變星在80到1000天的周期內(nèi)能夠變化1萬指數(shù)。其他的紅巨星在數(shù)年長的時間尺度上溫和且穩(wěn)定地變化。

爆發(fā)變星包括了被稱為焰星的昏暗紅矮星，它們是低溫且昏暗的，并且首先由于不可預(yù)測的亮度增加與其他的變星不同。事實(shí)上，在爆發(fā)變星上所發(fā)生的可能與太陽耀斑一樣，但由于它比太陽昏暗很多，耀斑就看起來變得很猛烈了。

新星是亮度突然增加到原先亮度幾千倍的恒星，它們被認(rèn)為是物質(zhì)正從較大恒星轉(zhuǎn)移到白矮星伴星的雙星系統(tǒng)。轉(zhuǎn)移的物質(zhì)引發(fā)了快速的核聚變過程，從而恒星急劇變亮。隨著物質(zhì)的再次累積，再一次出現(xiàn)新星成為可能。如果聚集到足夠的物質(zhì)，白矮星將被核爆炸摧毀，釋放出更多的能量。于是系統(tǒng)在I型超新星爆炸中被徹底摧毀——這一爆炸威力極大，使得它在爆炸的幾天中達(dá)到了星系亮度。II型超新星沒有這么亮，它發(fā)生于大質(zhì)量恒星到達(dá)生命終結(jié)并自身分裂時。

大多數(shù)多變的恒星活動是由恒星年齡增加這一事實(shí)造成的。但在成為主序恒星之前，年輕恒星經(jīng)歷了一個不可預(yù)測的劇烈變化時期，這是由于其核心內(nèi)剛剛發(fā)生的核聚變需要一定時間穩(wěn)定下來。當(dāng)這發(fā)生在與太陽具有相近質(zhì)量的恒星中時，就被稱為經(jīng)典金牛座T型星階段。