科學解讀：耀眼的恆星是如何慢慢老去的？

　　俗話說，萬物生長靠太陽。可是你想過沒有，未來的某一天，太陽會變得很猙獰，可能會把地球“吃”掉，其場景就如同時常看到的新聞報道：“現在太陽已經進入了紅巨星的狀態，10億年后世界的真正末日將會到來……”

　　真相到底是怎樣的？太陽演化會對地球產生哪些影響？恆星有哪些不同歸宿？它們命運的決定因素又是哪些？

　　太陽正值壯年，離紅巨星還有很長的路

　　開頭引述的新聞報道，隻說對了一部分。

　　和其他恆星一樣，太陽晚年時會膨脹成一顆紅巨星。這是恆星燃燒到后期所經歷的一個較短的不穩定階段。到那時候，太陽將看起來是紅色的，而且體積非常巨大。太陽的體積會覆蓋水星、金星軌道，甚至接近地球軌道。

　　“岩漿的溫度不過上千度量級，可以想象，當幾千度的太陽到達地球跟前時，地球將會處於一種熔融狀態。” 中科院國家天文台恆星物理團組首席研究員鄧李才告訴科技日報記者，一旦太陽進入紅巨星演化階段，在其膨脹到地球軌道之前，地球上的環境就會變得非常惡劣，不適宜生命存活。

　　但這一天還有多遠？中科院國家天文台恆星級黑洞爆發現象研究創新團組負責人苟利軍指出，目前研究顯示，太陽目前約50億歲，正處於其演化的青壯年期，現狀還可以再持續近50億年。“在此之后，才進入所謂的紅巨星演化階段。”

　　演化成紅巨星的太陽是否真的會到達地球軌道，“吃”掉地球呢？鄧李才表示，目前還難以精確預言。因為太陽變大的過程中會有太陽風作用到地球，但地球也不是孤立存在於太陽系的。“地球有衛星月球，外圍還有土星、木星2顆大的行星，構成復雜的力學系統。在未來46億年的時間裡，上述因素如何作用於地球軌道還難以精確預測，目前有研究稱地球軌道會向外移動10%”。

　　盡管紅巨星階段的太陽不一定會覆蓋地球軌道，直接“吃”掉地球，但在鄧李才看來，地球存留下的希望依然渺茫。他指出，紅巨星質量損失是非常不均勻的，地球很可能正面遇上遠超其質量的日冕物質撞擊，處於冕區位置的地球很可能被氣化掉。

　　繞不開的赫羅圖，研究恆星演化的重要工具

　　恆星的壽命，以百萬、億年來計，從人類視角來看，恆星演化的過程極為緩慢，往往幾個世紀也觀測不出任何變化。單獨觀察一顆恆星無法了解恆星演化全貌，天文學家便尋找替代方法。“天文學研究，難以通過具體的實驗來開展，於是不得不借助統計的手段進行。”鄧李才說道。

　　二十世紀初，丹麥天文學家赫茨普龍及美國天文學家羅素獨立提出，可以以恆星光度或絕對星等為縱軸、以恆星的光譜類型或表面溫度為橫軸，將恆星標識在一張圖上。這便是如今天文學家研究恆星演化的必備工具——赫羅圖。

　　黑夜裡仰望星空，會看見星星有暗有亮。“人們實際看到的恆星亮度，受到其距離的影響，光度就是扣除了距離因素的天體發光強度。”鄧李才說，亮暗之外，星星還有顏色，不同的顏色意味著不同的表面溫度。

　　赫羅圖能讓科學家對恆星進行“年齡普查”。當把大量的恆星按照光度和表面溫度在圖上標示成點后，科學家發現這些點的分布有一定的規律性。佔總數近90%的點，密集分布在圖的左上方到右下方大致沿著對角線區域，呈帶狀。天文學家把這條帶稱為主星序，帶上的恆星稱為主序星。主序帶的右上方和左下方各有一個點比較密集的區域。“百分之八九十的恆星呆在主序帶上，說明恆星一生中的大部分時間都處於這個狀態，而處於主序帶之外狀態的時間較短。”鄧李才說。

　　隨著時間的推移，恆星的內部結構逐漸演變，其光度和表面溫度隨之改變，從而在赫羅圖上的位置發生變化。天文學家據此描繪了恆星從誕生、成長到衰亡的演化路徑，並從理論上給出恆星從誕生到主序星、紅巨星、變星、新星（超新星）、致密星（白矮星或中子星或黑洞）的演化機制和模型。

　　鄧李才向科技日報記者展示的一張圖片顯示，作為一顆小質量、相對低溫的黃矮星，太陽目前處於赫羅圖上主序帶中部位置，正處於青壯年。

　　質量和金屬豐度，決定恆星歸宿的兩大因素

　　當恆星離開主星序，進入赫羅圖右上方紅巨星區域，意味著進入了生命“晚年”。日漸衰老的恆星會走向什麼歸宿呢？不同的歸宿由什麼來決定呢？

　　“恆星的壽命、演化特征，以及最終歸宿，都是由質量和金屬豐度來決定的，質量是最重要的因素，金屬豐度是次要因素，”鄧李才說道。

　　恆星的一生，都在與其自身引力做斗爭。在內部的氫元素逐漸聚變為氦、碳、硅，直到鐵元素的過程中，會產生巨大能量來支撐恆星與其自身引力相抗衡。質量越大、金屬豐度越低的恆星，其核聚變的原料更加充沛。當所有的核聚變原料用光，恆星將無法再抵抗引力，自行坍塌，走向生命的終點。

　　以太陽為代表的小質量恆星，進入紅巨星階段后，演化速度大大加快，中心區域溫度持續升高，密度不斷收縮，最后拋掉外層氣殼，剩下一顆致密和熾熱的白矮星，逐漸冷卻成又小又暗的黑矮星。

　　質量和體積較大的恆星，在演化的終點會爆炸，迸發出盛大太空焰火，即超新星爆發。如果留下的恆星核心“殘骸”質量足夠大，在1.4—3個太陽質量之間，它會坍縮為“中子星”。質量更大的恆星核心，最后會坍塌為黑洞。

　　盡管核聚變的原料更充沛，但質量越大的恆星，壽命反而越短。“大質量恆星輻射的光度比較大，能量消耗得更快一些，所以壽命相對比較短。”苟利軍說。恆星以發光的方式向外輻射能量。對於主序星來說，它的光度與質量的四次方成正比。也就是說一顆質量為太陽質量10倍的恆星，每秒輻射的能量是太陽的104倍，因此比太陽更快地走向衰亡。

　　“有些質量很小的恆星在主序帶上停留的時間甚至超過目前宇宙的年齡，達到約150億年。”鄧李才說。（記者 唐婷）