質量對恆星演化的影響

         經過天文學家以天文望遠鏡對不同恆星及星系作長期的觀察，利用其收集到的大量資料及數據，加上超級電腦的精確模擬與計算所製造出來的太陽理論模型，天文學家可以確定宇宙內所有恆星的構成物質基本上是相同的，都是主要由氫(約70%)及氦(約30%)加上少量重元素組成，這些物質大部份是由宇宙大爆炸(Big Bang)時已經產生。雖然所有恆星的構成物質基本上是相同，但其本身的質量大小會直接影響其光度，溫度跟顏色(兩者是直接關連的)，壽命長短，內部結構及其主序帶和死亡後的演化情況。
         天文學家將質量只有太陽百分之十到百分之四十之間的恆星稱為小質量恆星。如果恆星誕生初期其質量少於太陽質量的十分之一(約2萬億兆噸)時，其核心溫度及壓力均不足以令氫燃燒而產生氫核融合，最後成為一顆昏暗而難以被發現的棕矮星(Brown Dwarf)。恆星的表面溫度會直接影響其顏色，產生不同的星光，小質量恆星的表面溫度一般介乎2千至4千K(絕對溫度)之間，其顏色在紅色至橘紅色之間，所以小質量恆星又稱為紅矮星(Red Dwarf)，恆星的表面溫度愈高，愈接近橘黃色。小質量恆星內部沒有像中型及大型質量恆星的輻射層，是以對流的方式傳輸能量，因此恆星物質的分佈很均勻。而小質量恆星的核心溫度亦較中型及大型質量恆星為低，氫核融合反應速率非常緩慢，令小質量恆星的主序星生命期非常長，其整體壽命亦比中型及大型質量恆星為長，宇宙誕生初期所產生的這類型恆星，尚在主序帶上。小質量恆星在主序帶時期會一直穩定地將氫轉化為氦，由於其內部結構十分均勻,所有恆星內的氫都會對流至核心作氫核融合，當恆星內的所有氫經氫核融合轉化為氦後，由於其核心溫度不足以燃燒氦，屆時星核氫融合反應將會終止，會進行重力塌縮，重力位能轉成核心熱能，當重力位能耗盡後，便會安靜的死去，成為白矮星，最後漸漸地冷卻成黑矮星。
         當恆星質量大於太陽質量的百分之四十而小於太陽質量的八倍，天文學家會將其歸類為中型質量恆星或稱為類太陽恆星，太陽便是中型質量恆星類別中位於中間位置的其中一顆黃矮星(Yellow Dwarf)。中型質量恆星的表面溫度一般介乎4千至7千5百K之間，其顏色在橘黃色至黃白色之間，恆星的表面溫度愈高，愈接近黃白色。所有中型質量恆星由於其內部結構跟太陽一樣，所以這類恆星其主序帶和死亡後的演化情況跟太陽完全一樣。當核心中所有氫用罄，恆星會由主序帶恆星變成紅巨星,經過氦閃現象(某些質量比較大的恆星，其核心溫度甚至足夠燃燒碳，產生碳閃現象)，外殼被拋出外太空，成為行星狀星雲，跟着核融合停止，成為白矮星,最後成為黑矮星。
         其他質量比太陽大八倍或以上的恆星全都區分為大質量恆星，由於質量比中、小質量恆星更大，恆星核心的密度及溫度亦更高，所以熱核反應會以更快速度進行，產生出更多的熱能，恆星會更加光亮，表面溫度會在7千5百K以上，其顏色在白色至藍色之間，恆星的表面溫度愈高，愈接近藍色。恆星的熱核反應速度完全取決於其質量大小，恆星質量越大，壽命越短，例如一顆相等於15個太陽質量的恆星，便只有一千萬年的壽命。由於大質量恆星的核心比一般恆星更熱和有更高的密度，當核心的氫全都轉化成氦之後，核心溫度將會達到1億2千萬K，核心條件足以產生氦核融合，把氦穩定地轉化為碳，同時在核心外圍形成一個氦殼。在恆星強大質量所產生的重力約束下，核心氦核融合轉化為碳的過程能穩定地進行，核心的高熱會令恆星外殼極度膨脹，成為比紅巨星更巨大的超紅巨星(Super Red Giant)。典型的超紅巨星比普通紅巨星大100倍以上，雖然表面溫度降低，但整體光度仍然非常高，絕對星等可達-10(太陽的絕對星等只有4.8)。超紅巨星跟紅巨星一樣是變星，由於質量與發光強度有直接關係，質量愈大的星球，它的發光強度愈大。另外質量愈大的星球，它的外層愈大，可吸收的能量愈多，因此週期會較長。所以週期較長的變星，它的發光強度愈大。跟紅巨星一樣﹐超紅巨星的膨脹與收縮會不斷令核心加熱，當核心溫度達到6億K，核心中的碳便會產生碳核融合，轉化為氖(Neon)。由於恆星核心溫度不斷增加，核心物質會不斷聚變為更重的元素，直至成為鐵，其次序是氫–>氦(1千萬K)、氦–>碳(1億2千萬K)、碳–>氖(6億K)、氖–>氧(12億K)、氧–>矽Si(15億K), 矽–>鐵Fe(27億K)。天文學家相信在地球上常見的重元素，例如氧、氦、矽等，其實是在遙遠的過去，在一顆恆星的內部以這個機制產生的。當恆星的核心轉化成鐵後便會停止核融合反應，其原因是當鐵或更重的元素利用核融合產生更重的元素時，它不像較輕的元素會產生能量，卻反而要吸收能量，這也是為甚麼核電站把如鈾(Uranium)等重元素分裂成較輕元素時，可以產生能量的原因，所以鐵是熱核反應的終站。由於繼續燃燒鐵的核反應反而需要能量，所以恆星核心產生能量的能力便會戛然而止，核心的壓力驟降。當核心積聚了足夠的鐵後，在百分一秒之內，核心會毀滅性地猛烈收縮，同時把核心溫度提高。所有尚未使用的燃料會迅速核聚變成鐵或鎳(Nickel, Ni)。核心的外殼會塌縮在核心上，電子(Electron)和質子(Proton)會結合成中子(Neutron)，並放出中微子（Neutrino,更小型的中子），它們差不多不會和任何物質產生反應，所以中微子可以穿透恆星中的物質，將大部分塌縮所產生的能量帶走。其核心由一個約500公里的鐵核，在千分之一之內進行重力塌縮。由於在重力塌縮之後，核子最後必須形成簡併(degenerate)核心，但是核子是屬於不合群粒子， 不可能有不同的核子會佔據相同的狀態。所以急速塌縮所產生的巨大能量，無法完全轉換為簡併核心使用，由於原子核的天然密度會成為巨大的阻力，防止核心進一步收縮。這時核心會猛烈反彈，以極高速塌縮的核心外殼會和反彈中的核心碰撞，產生強烈的衝擊波(shock wave)，同時產生出像鈾等比鐵更重的元素，並把恆星外殼炸毀，型成超新星爆炸(Supernova Explosion) ，超新星爆發十分激烈，恆星的亮度可以暴增15等，是宇宙中最璀璨的天文現象。如果產生超新星爆炸的是一個單星，這便是II型超新星(Type II Supernova ) ；如果是一個雙星系統，就會形成更激烈的I型超新星，其亮度比II型超新星強一到兩個星等。恆星在超新星爆發後的演化，便取決於恆星剩餘核心的質量。在大爆炸後，若剩餘質量少於太陽質量的1.4倍，便會成為白矮星；若質量介乎1.4至大約3個太陽質量，便會成為中子星(Neutron Star)；若質量更大，便會進一步塌縮成黑洞(Black Hole)。

認識太陽 (5) : 太陽的後主序帶及死亡

當恆星停留在主序帶時，會一直利用核融合產生穩定的光與熱，而核融合的機制是將四顆氫原子核結合為一顆氦原子核，因此恆星內部的氫會續漸減少，而氦會續漸增加。以太陽這種中型恆星為例，太陽距零齡已有四十六億年，約處在中年期，核心溫度已升高到1千5百萬度，但核心的氫氦比例己由3:1 降到1:1 (甚至1:2)，所以產能強度已大為降低。形成核心受強大重力的擠壓，物質的密度高達每立方公分重150克。依據恆星理論的推算，現在太陽的亮度比零齡階段高30%。太陽的核中心的氫之比例會持續下降，當核中心的氫用盡後，恆星的核心會被氦取代,成為"氦核"。當星核的氫燃料已經耗盡，核心的氫核融合反應也終止了，恆星即將離開主序帶，進入後主序帶恆星的演化(老年期) ，並走上死亡之旅。
恆星的內部結構隨質量而異，但對大部份的恆星而言，除了質量比太陽少2.5倍或以下(40%或以下)的小型恆星外，恆星的物質分佈並不均勻。以太陽為例，核心的外面是輻射層，其星核的物質並不與外層的物質混合，即使核心的氫已耗盡時，核心外的物質仍然大致保有3:1 的氫氦比。當核心氫氣燃燒殆盡之後，質子─質子鏈的核融合便會停止，剩下的氦核便會開始塌縮並產生熱，將緊鄰核心的氫外殼加熱而開始產生熱核反應，構成了氫融合層。此時期的恆星，除了星核的邊緣區域仍有少量的氫融合反應外，中心區域的核反應已經停歇，但殘存的輻射能量，仍然需要很長的時間才能完全傳遞出來，所以核心溫度，並未因為核反應中止而大幅下降。但此時逐漸失去輻射壓支撐的恆星，核心被強大的重力壓縮，其重力位能轉換成核心物質的動能，致使星核的溫度急劇上升。在這一階段的恆星，它的能量輸出速率反而比在主序星時來得高。氦核所輻射出的能量與氫核融合層所產生的能量， 使得恆星外層的氣體(氫,氦)膨脹。由於總表面面積的增加，恆星會變得極之光亮。雖然核心仍保持熾熱，溫度急劇上升，但膨脹令表面溫度下降，結果星光變紅，最後演化為一顆紅巨星。當太陽演化為一顆紅巨星的時候，它會漲大到地球現時的位置﹐而把地球吞噬。
所有紅巨星都是變星，當恆星離開主星序進入巨星區域之前會經過所謂的不穩定時期，此時恆星的發光強度會不穩定。恆星外層的離子化氫與氦原子，會吸收恆星內部所發出的能量，恆星外層因而膨脹變大，使得發光強度變大，在膨脹的過程中，常又超越了"平衡半徑" 。當外層物質放出所儲存的能量後，重力勝過輻射壓，恆星外層向內收縮，此時表面積變小，所以光度也變小。當收縮衝過了頭，使得恆星外層又重新吸收了大量的能量，又開始下一波的膨脹與收縮。對這一類的恆星，它們的外層像是作簡詣運動的彈簧，而它們的光度的變化也具有週期性。當恆星外殼不斷膨脹與收縮，氦核心同時不斷收縮加熱，直至達到1億2千萬度以上﹐足以燃燒氦(此現象稱之為氦閃)為止，即把三顆氦原子核結合為一顆碳原子核。由於這時燃燒氫和氦以產生能源的過程並不穩定，星體除了會不斷脈動外，更會產生強勁的恆星風把外殼「吹掉」。最後整個外殼會被拋出外太空，成為行星狀星雲(planetary Nebula) 。
當太陽進入後主星序時期，經過氦閃將外層氣體以大約每秒10至20公里的速度拋出，形成行星狀星雲，在此過程中太陽會損失大約10%的質量。中心會留下一顆溫度約2萬5千度至十萬度的核心。此時由於太陽的核心熱力不足以把碳燃點起來，所以當所有氫和氦皆告用罄時，無法再進一步的增溫而觸發氦融合反應，恆星便會開始收縮，這時候，電子簡併壓力(此理論暫時還十分簡略和不準確，但電子簡併壓力可勉強看成是來自電子擠至互相觸碰時所造成的抵抗力)成為了抵抗恆星進一步塌縮的主要力量。電子簡併壓力並非來自任何核反應﹐所以它能永遠抵抗恆星的引力。到此太陽的溫度會不斷下降，並變得越來越暗，成為白矮星(White Dwarf)，此時太陽已經完全死亡，只能將餘下的能量(溫度)向外輻射。一顆典型的白矮星比地球略小，但質量卻和太陽差不多，密度約為每立方厘米3百萬克，是岩石的 30萬倍，大約相當於將一個太陽放入一個半徑5000 km (約為地球半徑的四分之三)的球體內。當白矮星把所有能量完全輻射完畢，白矮星便成為黑矮星(Black Dwarf)。但這個過程所需時間比宇宙現在的年齡更長，所以天文學家相信宇宙中仍沒有黑矮星的存在。 

認識太陽 (4) : 太陽的主序帶

         為探知遙遠恆星與不可見的太陽內部結構與演化，天文學家以收集到的太陽、隕石資料及數據，加上現時所知的科學理論，利用超級電腦作出精確的模擬與計算，製造出廣為天文學家所信賴的太陽理論模型(或稱為標準太陽模型)。太陽模型不僅正確預測太陽及其他恆星的發光能力、表面溫度，並對其內部可能的光度、質量、溫度與密度分佈，提供相當可信的圖像。利用太陽理論模型，天文學家推算出太陽誕生於約四十六億年前，現處於主序帶的中年期，恆星一生百分之九十的時間皆會在主序星階段渡過，估計太陽還會停留在主序帶大約五十億年，繼續供給鄰近區域穩定的光與熱。
         星際的氣體及塵埃經由重力塌縮，將重力位能轉變成動能，動能的增加使得雲氣的溫度昇高。當中心的溫度昇高到四百萬度時，雲氣中的氫便開始產生核融合(或稱核聚變、nuclear fusion)，釋放出能量，這就是令恆星產生穩定的光與熱的來源。氫核融合過程有二種，質子－質子鏈(p-p chain)和碳氮氧循環(CNO cycle)。若星體質量小於太陽質量的1.1倍，星體中心的溫度將會少於一千五百萬絕對溫度，核融合將會主要以質子－質子鏈進行，據太陽標準模型計算，太陽核心的溫度約為一千五百萬度，理論計算顯示，太陽高於百分之九十的能量可能是經由質子－質子鏈產生，而少於百分之十是來自碳氮氧循環。假若星體質量較大，核融合便會主要以碳氮氧循環的方式進行，這循環所造成的結果和質子─質子鏈沒有分別，都是把四顆氫原子核結合為一顆氦原子核。相反地，地球上的核電廠使用的核裂變(nuclear fission)，即大原子核分裂為眾多小原子核，過程中會釋放能量的一種機制。核融合要在非常極端的環境下才能發生，到目前為止科學家仍無法在地球的實驗室內穩定地製造出所需情況。首先核融合需要極高的溫度，讓氫原子核能有足夠的能量克服原子核之間的電排斥力，此外亦需要極高的密度去增加粒子碰撞的機會，所以核融合只能在溫度高達一千萬絕對溫度的太陽核心內發生。不管恆星循何種路徑來產生能量，四個氫的質量總和大於一個氦，也就是說，四個氫核融合成一個氦，會損失了部份的質量，由愛因斯坦的質能公式(mass-energy relation 、E=mC^2)告訴我們，損失的質量將會轉變成能量釋出。利用質能公式可以計算出一克(gram)氫經由核融合大約可產生一千五百億卡路里(1.5 X 10^11calories) 的能量，如果每一克的水從摄氏0度增高到摄氏100度的沸水需要100卡路里， 一克的氫在核融合的過程中所產生的能量可將1500公噸的水煮沸！
         一般人最常見的謬誤是以為大質量恆星有更多燃料，所以可以有更長的壽命，但事實上，由於大質量恆星的核心較熱和密度較高，它們燃燒氫氣的速度更高，所以生命反而較短。碳原子核帶的電荷是氫原子核的六倍﹐碳氮氧循環只有質量大的星體所能提供的較高溫度和壓力才能維持。碳氮氧循環的反應比較快，可以產生更多能量﹐而只有對流核心能將這些多的能量有效地傳遞出去。在這些星體較外層的氣體仍然很熱和比較透明﹐所以輻射傳播是一個有效的傳遞方法﹐結果是這些恆星會有一個對流核心和輻射外殼。恆星一生大部分時間都在主序階段度過。對於大質量的恆星，由於它們的核反應速率很快，大約一百萬年便會把核心的燃料耗盡；而較小質量恆星的壽命便長得多，可達數百億年。
         恆星的穩定是依賴流體靜態平衡(Hydrostatic Equilibrium) ，重力壓與輻射壓在星球的內部是保持平衡的，來維持穩定。 從流體靜態平衡，我們可暸解星球的內部，因不同的深度有不同的重力， 所以在星球的內部不同的深度必需有不同的溫度， 才能產生相對應的輻射壓與重力相抗衡。在一顆恆星形成初期，引力是演化的主導力量，令恆星不斷收縮。隨著恆星不斷收縮，核心氣體的溫度及密度亦不斷上升，直至燃點起熱核反應，所產生的能量會造成兩種向外的壓力，對抗向內的萬有引力。最後向內的引力和向外的壓力會達致平衡，讓恆星可以長時間保持穩定(由數百萬至數百億年不等)。無庸多言，就是因為太陽能長期穩定地發出光和熱，地球上的生物才能生生不息，不斷茁壯成長。第一種向外壓力是恆星物質所造成的氣體壓力，溫度越高、物質越多，氣體壓力便越大。第二種向外壓力是光子所造成的輻射壓力，這種壓力亦會隨溫度上升。無論是哪一種壓力，力量都源自太陽核心所產生的能量，一旦核心的核聚變停止，恆星便會開始塌縮，進入後主序帶恆星的演化(老年期)。