《天文基础知识》第一章太阳系与系内行星之了解太阳（下）

《天文基础知识》第一章：太阳系与系内行星

第二节 了解太阳

三、太阳系结构

在宇宙中，由两颗或两颗以上星体所形成的绕转运动组合体叫做星系，通常情况是众多质量小的星体绕质量大的中心星体转动，这种星系叫做中心式星系，太阳系就属于中心式星系。太阳作为太阳系中心，质量占整个太阳系的99.85%，在质量上占绝对优势，太阳系中众多行星和彗星等其他天体绕太阳转动，和太阳一起构成一个稳定的中心式星系。

人类对太阳系结构的探索，是对宇宙探索的开端，也是最重要的一部分，更是人因独有的智力而区分于其他动物的标志。早在古代，人们把相对天球固定不动的星体称作恒星，把随着时间位置在天球上不断变化的星体（如金星），被称作为行星。中国古书中记载着关于地球运动的朴素唯物论和辩证法的观点，将地球和宇宙中其它星体的位置描述为“九层天”的形态。在公园前四世纪，古希腊学者亚里士多德认为地球是圆的，而且位于宇宙的中心不动（地心说）。波兰天文学家哥白尼总结前人的材料，推测出太阳才是宇宙的中心（日心说）。十七世纪初，科学家伽利略利用小型望远镜观测到了木星的卫星。在近代，前苏联发射了第一颗人造卫星，将人类的科学产物带到了太空当中，跨出了人类通往太空的第一步。人类对太阳系结构的探索开始于很久很久之前，且从未停止过。

太阳系是由太阳、八大行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。太阳是太阳系的中心天体，占总质量的99.86%，靠热核反应发光发热，向整个太阳系供能；八大行星在太阳的引力作用下绕其公转。记得我小时候，大人都说太阳系中有“九大行星”，其实那个时候确实是九大行星，按与太阳的距离由近到远排列依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星，但是由于冥王星位于太阳系外围的柯伊伯带，天文学家发现柯伊伯带有更多围绕太阳运行，且质量，体积等各项数值都比冥王星大的天体，所以在2006年8月24日下午，在第26届国际天文联会通过第5号决议，由天文学家以投票正式将冥王星划为“矮行星 ”，从“行星”之列中除名，于是“九大行星”变成了“八大行星”了。太阳系内还存在为数众多的小质量天体，主要集中在火星和木星的轨道之间的小行星带中。此外，太阳系内还有多得难以计数的流星体，有些流星体成群分布，称流星群。

太阳系八大行星的公转轨道几乎在一个平面上，这个平面叫“黄道平面”；而彗星和柯伊伯带天体的运行轨道通常都有比较明显的倾斜角度。地球的自转轴与黄道平面也并不是垂直的，二者成23.5°的夹角；正因为这个夹角的存在，太阳直射点在地球那北回归线之间移动，地球上才出现了四季的变换。

在太阳引力的作用下，各个星球绕太阳公转的星球轨道形状为：近圆形、椭圆形、抛物线形和双曲线形。在太阳系中，水星、金星、地球、火星，它们的绕太阳公转轨道形状为近圆形；而外围的木星、土星、天王星、海王星公转轨道为椭圆形；太阳系的彗星公转轨道为椭圆形、抛物线形和双曲线形。

四、太阳（恒星）起源与演化

关于恒星的起源与演化，这是一个很复杂的过程，以下表述只是一个概括。

首先人们最早探索这个问题是从能源角度入手的，就是思考到底是什么能源能让恒星一直发光发热呢？人们通过一步步假设论证恒星起源问题,以太阳为例，假设太阳的质量全是煤炭的话，并且在维持现在的光度（辐射功率）的情况下估算得出这个能源只能烧5000年 ，显然这个结论是错误的。等到19世纪开尔文和亥姆霍兹提出一个理论：恒星是通过引力收缩，然后使引力势能转化为内能从而转化为辐射能，而向外辐射能量，通过这种理论计算太阳质量可以维持3000万年左右，这个时间在当时看来已经很长了，但是在后来人们通过放射性年代法测量出地球年龄肯定不止3000万年，所以这种理论也不对。后来就是爱因斯坦提出了质能方程E=mc^2,如果太阳质量全部被转化为能量再维持现在的光度，可以持续几十万亿年（并不是全部质量都转化为能量，只需要小部分就足够了），目前计算得到的太阳寿命可以持续100亿年。

在探究完质量来源问题之后，人们便开始考虑恒星的演化问题了，首先要知道的是恒星不会是平白无故冒出来的，目前已经通过大量观测证实了恒星最初的形式是弥散星云，所谓弥散星云是指宇宙中的一些气体还有少量尘埃，主要由氢和少量的氦，星云的直径可以达到上百光年，起初由于万有引力的作用，在达到金斯不稳定性判据后一些星云开始坍缩形成原恒星，原恒星就是恒星生命的开始。

下面假设星云成功形成了一片原恒星，一般原恒星的质量在0.08个太阳质量到100个太阳质量之间，原恒星同样发光发热，但是这部分能量是又赫姆霍兹和开尔文所说的理论即引力势能转化为辐射能，但是随着引力的收缩原恒星内部的压力也会越来越大，而变得不透明，所以辐射只能由表面释放出去，而内部的辐射就被内部气体所吸收，当引力与气体压力相等时，收缩也就停止了，内部温度也持续在升高，当内部温度达到800万开时，核心的氢核聚变就开始了，此时主要的反应就是氢聚变为氦。聚变反应的开始标志着恒星进入了主星序行列，恒星的壮年期也正式开始了。而对于原恒星质量小于0.08个太阳质量的恒星，由于其内核的温度到不了800万开无法进行氢核聚变，无法进入主序列，这样的恒星称为褐矮星。

对于进入主序带的恒星，其在主序带的时间取决于其内部中心区域的氢全部聚变为氦所用时间，质量越大燃烧越快，停留时间越短；反之，停留时间越长。当恒星的氢燃烧完之后也就进入了恒星的晚年。

下表所示是各种质量恒星最终演化结果：

对于质量在0.08到0.5个太阳质量的恒星，其氦核收缩后仍然达不到一亿K，不能进行氦的聚变，最终只能形成一颗氦白矮星。

对恒星的晚年阶段，质量在0.5到2.3个太阳质量之间的恒星，即包括太阳的晚年，此时其核心全部变为氦，开始脱离主序带，因为氢全部聚变为氦，原子数目减少，由理想气体状态方程PV=NRT可知，其内部气体压强减少而不足以对抗外层的引力，所以核心就会收缩，引力势能再次转化为辐射能，内部温度又开始升高，这部分温度会先点燃氦核心外部的一层氢即壳层的氢，氢燃烧需要辐射能量，核心收缩也要辐射能量，所以此时恒星外层就会开始膨胀降温，此时恒星亮度将会增加，形成一颗亚巨星，随着核收缩将势能转化的辐射能的增加，外层进行膨胀，恒星大小迅速增加，通常直径会变为原来的10到100倍，其温度也迅速降低，并且恒星变红，成为一颗红巨星，注意此时核心温度还没到氦的聚变温度，氦并没有燃烧，恒星变亮是因为核心温度的升高外层的氢燃烧的更剧烈了，所以红巨星很大很亮。接下来随着核心温度的进一步升高，核心的氦会发生两个变化：1、在物理构造上核心的氦会进入电子简并态； 2、当核心温度高达1亿开时核心的氦开始聚变燃烧变为碳和氧。对于电子简并态来说，其压力和温度是没有关系的，当核心氦聚变开始后，核心的温度进一步升高，但是由于其电子简并态，其体积不变，相应的氦聚变反应也越来越迅速，核心的氦会以一种接近爆炸式的方式燃烧，这个过程就叫做氦闪。对于这个过程来说，它虽然很像一下子就能释放出大量能量或者迅速膨胀而毁掉太阳系的一切，但是实际上，氦闪我们几乎观察不到，只能在理论上模拟。原因是：1、氦闪这个过程确实会释放大量的能量，但是持续时间极短；2、简并态也是可以解除的，随着内部温度的升高核心会迅速的解除简并态，一旦简并态解除，核心便会迅速膨胀并且吸收大量的能量，几乎可以将氦闪释放的能量完全吸收，而此时核心的氦聚变完成后，核心就变为了碳和氧，粒子数量再次减少，核心又开始收缩，核心温度又开始升高，再次点燃壳层的氢，随着氢的聚变逐渐又会包裹一层氦，当核心再次达到简并态时，外层的氦也开始燃烧，此时是氢也在燃烧，氦也在燃烧，恒星进入双壳层燃烧阶段，外部开始迅速膨胀，膨胀到比红巨星还大，变为一颗红超巨星，由于体积过大，外层物资已经不受控制，相当于外层被抛射了出去，而形成了一片行星状星云，而恒星的碳氧内核也就成了一颗独立的碳氧白矮星，达到恒星一生的终点。

对于质量在2.3到8的太阳的质量大体演变与上述差不多，但是由于质量更大，其演变速度会更快，并且其在核心的氢燃烧完后温度会迅速上升到1亿开，氦会直接开始聚变，而没有氦闪过程。

对于恒星质量大于8个太阳质量时，其碳氧核温度更高达到30亿开，开始碳氧的聚变，生成钠、镁、硅等元素最后到铁，最后生成一个铁的中心核，当温度达到50亿开时，铁核会在高能光子（伽马射线）的作用下进行光致分解变为更小的粒子，此过程会吸收大量能量使内核快速坍缩，这个压力甚至连电子简并态也支撑不住而使电子被压入原子核中，质子和电子形成中子并且释放中微子，这个中微子由于吸收了极大的能量便将铁外壳击穿形成了超新星爆炸，之后这个压力将又这个铁中子核承受，形成一个铁中子星，但是当恒星的质量大于30个太阳质量时，连中子简并压都无法承受这个压力了，便会进一步坍缩，于是形成了黑洞。