第七章　恆星的誕生

本章目錄：

• 恆星的誕生
• 恆星誕生的觀測證據
• 星光的來源
• 恆星是如何維持穩定?
• 恆星的理論模型與恆星內部的結構
  

• 本銀河系約有二千億個恆星，而宇宙至少有10²³個恆星。這些眾多的恆星，恆星的質量不盡相同，可能處在不同年齡與演化階段。天文學家根據觀測的結果，再加上理論的計算，構造出恆星演化的理論。恆星演化理論涵蓋：恆星的誕生(新生與嬰兒期)、主序帶恆星的演化(青年與壯年期)、後主序帶恆星的演化(老年期)、恆星的歸宿(死亡) 與化學元素的合成。

  所以恆星並不是永恆的，他們與我們凡人相似，也有生老病死。本章的內容是有關恆星如何誕生、如何演化進入青年期(主序帶)。另一個重要的課題是，天文學家如何用上一章(星光的祕密) 所敘述的方法，來證驗恆星演化理論。

恆星的誕生

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簡單圖像：

• 巨大、低密度的冷星雲(分子雲)經由重 力塌縮，將位能轉變成熱能，當核心的溫度昇 高到可以觸發氫融合反應，恆星就誕生了，並 變成小而密度高的熱星。

1. 恆星誕生的原料：星際物質

   恆星的質量，大多在太陽質的十分之一到數十倍之 間。以太陽而言，其質量約是地球的三十三萬倍， 可見恆星有相當巨大的質量。能誕生恆星的巨大分 子雲，又是由幾近真空的星際物質，歷經亙古的時 間緩慢聚集而成。星際物質主要是由氫、氦、塵埃所組成。

   • 　
   • 星際物質存在的證據

     星光的消光 與紅化 ，發射星雲(emission nebula) –Trifid 星雲 、或H II 區域 ，反射星雲(reflection nebula)–Trifid 星雲、昂宿星團(the Pleiades)，暗星雲–馬頭星雲 、本雲河盤面 、包克雲球(Bok globules)，氫21公分線 (無線電波段)，0.26 公分CO 譜線–巨大分子雲(數十萬太陽質量)。

   • 溫度：數K到數百K之間，全看距離恆星多遠而定， 平均約在100 K左右。
   • 密度：平均10⁶ 原子/ 米³ ，或每CC的 太空中，平均來說有一個原子。分佈並不均勻， 最密者有10⁹ 原子/ 米³，而最疏者 低達10⁴ 原子/ 米³ 。在地球上 實驗室能造成的最好真空約在10¹⁰ 分 子/ 米³ ，而在海平面太氣每立方公尺中 含有10²⁵ 個分子。
   • 成份：分析星際星 雲的吸收光譜 ，可以得知，星雲90% 是原子或分子氫， 9% 為氦，剩下的為較重的元素、分子與星際塵埃。
2. 恆星誕生的機制

   但恆星誕生的故事並不是如此簡單，星際物質受重力的 吸引，慢慢的聚集在一起，同時溫度也漸漸昇高。溫度 愈高，原子與分子運動的速率也愈快，這種傾向抗衡了 重力塌縮的繼續進行，有時甚至可能把星雲打散。

   由觀測的證據顯示，星雲不可能經由自發性的重力塌縮 ，而變成恆星。天文學家認為有四種不同的過程，具 有發揮臨門一腳效用，能觸發恆星的形成。

   1. 　
   2. 超新星爆炸產生的巨大震波 ，例： Cygnus Loop。
   3. O-B 型熱星放出巨大的輻射，恆星風推擠周圍的星際物 質使之成為物質密度較高的球殼，如 薔薇星雲(Rosette nebula)。
   4. 分子雲之間的踫撞。
   5. 在銀河系的漩渦臂。
3. 恆星誕生的過程

   • 類太陽恆星 的誕生過程

     巨大分子雲 的塌縮

     -> 塌縮分子雲的分裂 (理論)

     -> 分子雲的分裂終止(理論)

     -> 原恆星(胎星) 階段

     • 雲氣在塌縮成為成為恆星的前一狀態，稱為 原恆星(胎 星、protostar)，它是熱到足以產生紅外線，但是 不足以開始進行核融合，所以在可見光波段很難觀測到。

     -> 原恆星(胎星) 階段的演化

     • 吸積盤 靠原恆星中心 的溫度極高，物質由中心 處垂直盤面噴出，形成 噴流(jets)。

     -> 觸發氫融合–新恆星誕生

     原恆星的質量，因周圍的物質持續地加入而增加，核 心的溫度也隨之昇高。當中心的溫度超過4 * 10⁶ 度時，氫開始發生核融合，一顆新的恆星也就誕 生了。此時恆星的四周雲氣仍然很稠密，可能還無法 直接看見這顆新生的恆星。但可觀測周圍 雲氣受中心恆 星激發的倩形 ，可以推知雲氣深處新恆星的誕生。

     -> 進入主序帶

     • 當胎星的中心開始產生氫核融合，則此一星體我們稱之為 主序星，恆星百分之九十的時間，都待在主星序上。

恆星誕生的觀測證據

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恆星誕生的觀測證據：

1. 繭狀物(cocoon)
   • 是一種紅外線光源。
   • 年輕的胎星通常是看不見的，都被一層稱為 繭狀物的雲氣與 星際塵埃所包圍著，而此繭狀雲氣受到胎星的加熱會放出紅 外線。最終當胎星的溫度夠熱，則繭狀物將被吹走。M16的恆星誕生區、 M42的恆星誕生區。
2. 金牛座T 型星(T Tauri Stars)
   • 以第一顆被發現金牛座變星T 命名，最初以為是年輕的變星，現在一般相信這類型星 ，是原恆星演化的最後階段，正在清除它們的繭狀物。

     例如NGC 2264 中有許多低質量的T型星，實測的數據 顯示星團中，大質量的恆星己在主序星階段，而低質量恆星仍在T 型星階段。這個星團的年齡約僅有數百萬年，因為同星團內的恆星是由同團雲氣中產生，所以它們起步的時間相同，但恆星進人主序帶所需要的時間與其質量有關 ，一般質量愈大的星，愈快進入主序帶，實測的結果與理論相合。

3. 雙極流(bipolar flow)

   當氣體掉入恆星的吸積盤面時，會拉曳著磁場，進而在旋轉軸的兩端產生噴流，而噴流與周圍雲氣相撞，產生光度閃爍不定的Herbig-Haro 星體。

   由哈伯太空望遠鏡的觀測發現，在獵戶座大星雲中的七百多顆新恆星，近半數有吸積盤 的存在。現在的一般的臆測是，這些吸積盤假以時日，有可能會形成行星。如果這種說法是正確的，行星在宇宙中，可能到處皆是。由最近一系列的觀測發現，如吸積盤、外太陽系行星 與火星微生物 等，使我們對外太陽系智慧生物，存在與否的問題有了無窮的想像空間。

4. Herbig-Haro 星體

   原恆星演化過程所產生的雙極流，高速衝入周圍的雲氣，並激發雲氣中的物質放出電磁輻射，成為為亮度不規則變化的小星雲。這類光度閃爍不定的小星雲，常稱為Herbig-Haro 星體(H-H objects)，所發出的輻射大都在可見光、紅外線與無線電波段。

星光的來源

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1. 恆星的能源
   • 太空中的雲氣經由重力塌縮，將重力位能轉變成動能， 動能的增加使得雲氣的溫度昇高。當溫度昇高到10⁷ K時， 便使得雲氣中的氫開始產生核融合，釋放出能量。

   氫核融合過程有二種：

   1. 質子－質子鏈(p-p chain)
   2. 碳氮氧循環(CNO cycle)

   兩種核融合過程都是將四個氫核融合成一個氦，並釋放出能量。主序星用那一種氫融合過程產生能量，和它的核心的溫度有密切的關聯。據 太陽標準模型 ，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(參見質子－質子鏈與碳氮氧循環與溫度的關係圖)。但大質量恆星，能量產生的途徑是以碳氮氧循環為主。

   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。如果我們用Δm 來代表所損失的能量，由愛因斯坦的質能公式(mass-energy relation)告訴我們

   ΔE = Δm C²

   
   也就是〝損失的質量轉變成能量的釋出〞。

   例：一公克的氫經由核融合大約可產生多大的能量?

   我們知道在一次的氫融合中 會消耗
   4個氫核(m_4H ＝6.693*10^-27 kg)
   產生
   1個氦核(m_He＝6.645*10^-27 kg)
   也就是在氫融合的過程中質量減少Δm = 0.048*10^-27 kg，

   所以一次的氫融合所釋出的能量
   

   ΔE ＝Δm C²
   = (0.048*10^-27 kg)*(3*10⁸ m/sec)² ＝0.43*10^-11 J ＝1*10^-12 cal　

   一公克的氫約有6*10²³個氫核，每一次氫核融合用掉4個氫核產生1*10^-12 cal的能量， 所以1公克的氫在核融合過程中可產生

   (6.02*10²³/4)(1*10^-12 = 1.5 * 10¹¹ cal
   

   每一公克的水從0℃增高到100℃的沸水需要100 cal， 所以1公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！

2. 恆星內部能量的傳輸

   恆星內部所產生的能量如何傳到表面？

   以我們的太陽為例，百分之九十九的能量在核心 產生，而且所產生的能量，大部份以高能珈瑪射線(註：電磁輻射常又稱為光子) 與微中子釋出。微中子極少與物質發生作用，立即飛離太陽。太陽內部的物質密度很高，光子平均每走1公分就與物質粒子碰撞一次。由核心以"光"的形式向外傳遞的能量，大約需經過一百萬年的掙扎與反覆的改頭換面，才能扺達太陽表面。

恆星是如何維持穩定?

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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。

恆星的理論模型與恆星內部的結構

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2. 恆星的理論模型

   利用電腦對恆星作模擬 ，來計算與推測恆星的內部物質分佈、溫度分佈、光度分佈、能量向外傳輸方式…，所得到的恆星理論模型。恆星理論計算把恆星分成許多具有相同厚度的同心球穀，並以四個基本假設為計算的基礎：

   1. 　
   2. 流體靜態平衡
      • 星球內部每一層所受的重力壓與輻射壓都會達成平衡。
   3. 能量傳遞的方式
      • 能量由高溫區傳蝸低溫區，是以輻射，對流或傳導等三種方式進行。
   4. 物質連續性
      • 恆星的質量是所有球穀質量的總和。
   5. 能量連續性
      • 任一個球穀上方的能量，等於由絿穀下方傳來的能量 ，加上在這一球穀所產生的能量，此恆星所輻射的能 量為每一殼層所產生能量的總和。

   恆星模型的預測，須與實際的觀測相吻合，否則必須調整恆星模型的參數，再進行計算與預測並與實驗數據比較。

   恆星的理論模型告訴我們主序星的質量不能小於0.08 太陽質量，也不能大於100 太陽質量。因為小於0.08 太陽質量的星體，無法產生氫核融合，也就是無法形成主序星，這類"死胎的恆星" 稱為棕矮星(brown dwarf) ；大於100 太陽質量的星體，核融合反應非常激烈，會造成星體不穩定，而分裂成數個質量較小的恆星。現在的天文觀測的證據顯示，恆星的質量大致在十分之一至數十個太陽質量之間。

3. 恆星的內部結構

   我們利用可觀測量，如光度、大小、表面溫度…，來對描述恆星。但恆星的內部結構 ，則須靠理論模型來推測。一般而言，恆星的內部可分成核心、對流層與輻射層等三部份。據理論模型，恆星的內部結構與其內部的溫度有關。而恆星的溫度又取決於其質量，所以恆星的內部結構與其質量有關。

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蘇漢宗(htsu@mail.ncku.edu.tw) 　
許瑞榮(rrhsu@mail.ncku.edu.tw)
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台南市成功大學　物理系