星星電力公司：觀察恆星的核融合反應，了解恆星的生老病死——《蔚為奇談！宇宙人的天文百科》

Sharer: 泛科學 December 20, 2019 at 8:28 am

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文／國立清華大學天文研究所教授潘國全

「天若有情天亦老。」

──李賀，《金銅仙人辭漢歌》

恆星之所以取名為恆星，是因為古時人們相信恆星永恆不變，象徵著完美與無限。然而事實上並沒有什麼東西是永恆不變與完美的，恆星也如同人一般有著生老病死，只是恆星的一生可能橫跨數百萬到數百億年1，遠多於你我的壽命，更長於人類的文明。

太陽是離我們最近的一顆恆星，目前的年紀約為 46 億年，天文學家預測它大概還可以再持續發光 50 億年以上。這麼長的時間，天文學家如何瞭解太陽是怎麼演化的呢？其他的星星與太陽到底有何不同？到底是什麼能量讓太陽能夠發光？為什麼有些星星看起來是不同的顏色？

對於太陽，我們可以假設太陽系的地球與其他行星、小行星是在類似的時間形成，所以研究地球內部的結構、隕石的成分等都可以間接幫助我們瞭解太陽，但這樣的研究方式卻沒辦法運用到其他恆星。

距離我們最近的恆星——太陽（Credits: NASA/SDO）圖／三民提供

我們可以用統計的方式來瞭解星星。假想你在觀察某一所小學學生的身高分布，雖然學生之間有高矮胖瘦等差異，但在不同年級的教室裡，可能會發現年級與學生的身高呈現正相關分布。

整體來看，愈高年級的學生身高愈高，所以你不必等小學一年級的學生升到六年級，就可以推斷六年級學生的平均身高比一年級學生高。觀察星星也是如此，而星星的命名中也有類似的意味，好比說矮星（dwarf，又有侏儒的意思）與巨星（giant，巨人）。

那星星的學校在哪裡呢？事實上，大部分的星星並不孤單，有很多「雙星」或「三星」的系統，更有一種組成叫做「星團」，是由數百到數百萬顆星星所組成的。星團裡的星星，每顆都有不同的質量，但卻在相近的時間一起誕生，而不同質量的星星有著不同的演化過程和壽命。

顯示恆星演化過程的「赫羅圖」

丹麥天文學家赫茲普龍 (Ejnar Hertzsprung) 與美國天文學家羅素 (Henry N. Russell) 分別提出把恆星的光譜類型與光度2畫在一起的關係圖，後來命名為 赫羅圖 。

天文學家發現這樣的關係圖對瞭解恆星演化非常有幫助：恆星的光譜類型同時代表著恆星的表面等效溫度，恆星愈藍代表溫度愈高（正所謂爐火純青，藍色的火焰比黃色的火焰高溫）。如果我們對不同的星團畫赫羅圖，可以發現不同年齡的恆星在赫羅圖上有不同的分布。

赫羅圖是恆星的星等（或亮度）對光譜類型（或等效溫度）的關係圖，可以用來顯示恆星演化的過程。(Credits: ESO) 圖／三民提供

天文學家發現大部分的年輕恆星都分布在圖中的對角線—那條稱作 主序星 (main sequence stars) 的地帶，而質量愈大的恆星位在愈靠近圖中左上的部分（高亮度、高溫度），且演化得愈快（壽命短）；質量愈小的恆星則愈紅、愈暗淡，位在赫羅圖右下方。

究竟是什麼讓太陽可以維持目前的亮度這麼多年呢？太陽的亮度約為 3.8×1026 瓦特，每秒鐘所放出的能量比全人類整年所消耗的能量（約為 2×1013 瓦特）還多。那麼高的能量到底是怎麼來的呢？

當物理學家發現核反應以及愛因斯坦的 \( E= mc^{2} \) 後，馬上就意識到太陽的能量是來自氫的核融合反應，而氫又是宇宙中最常見的一種元素，因此可以推斷恆星最開始的光芒都來自於氫的核融合反應，只是不同質量的恆星因為壓力與溫度不同，氫的核融合有不同的反應速率，導致它們演化的速度不同。

不同元素的核融合所需溫度

而氫燃燒完後，不同質量的恆星也因為重力造成的壓力不同而有完全不同的命運。概略來說，恆星依其質量可以分成三個種類： 極低質量恆星 、 低質量恆星 ，以及 大質量恆星 。

極低質量恆星

在極低質量恆星之中，質量介於約 10～80 倍木星質量3之間的恆星又稱為 棕矮星 (brown dwarf)；質量小於這個範圍則稱為 次棕矮星 (subbrown dwarf)；稍大一點則稱為 紅矮星 (red dwarf)。

太陽與紅矮星、棕矮星、木星之間的比較。圖／wikimedia

與太陽和一般的主序星不同，棕矮星因為重力微弱，核心內部的溫度和壓力不足以點燃氫的核融合反應，因此內部主要是氘在進行核融合反應，只能發出非常微弱的光芒。次棕矮星的質量更小，連氘的核融合反應都無法點燃，有些天文學家甚至還在爭論次棕矮星與行星（譬如木星）之間如何劃分。

紅矮星的質量大約介於 0.08～0.5 倍太陽質量，而且表面溫度低於 4,000 K。紅矮星的質量小，溫度低，暗淡不易觀測，但數量龐大。目前估計銀河系中約有六、七成的星星屬於紅矮星。紅矮星的光和熱主要來自氫融合成氦4。

目前恆星演化模型認為紅矮星是完全對流的，也就是核心產生的氦會對流至表面，使星球所有的成分均勻混合，延長反應時間。因此，理論上紅矮星的壽命非常長，目前普遍相信宇宙中所有的紅矮星都還沒有演化到下一個階段。如果紅矮星的氫燃燒完畢，將演化為一種目前仍未觀測到，純為理論預測的恆星— 藍矮星 (blue dwarf)。

低質量恆星

低質量恆星的質量大約介於 0.5～8 倍太陽質量之間。

演化初期，低質量恆星主要是靠氫融合成氦的核反應；質量較小的恆星主要是透過質子—質子連鎖反應；而質量較大的恆星主要則靠 碳氮氧融合循環 (CNO cycle) 來產生氦。在核心燃燒氫的這個階段稱為主序星，太陽目前就處在主序星階段，其內部溫度高達攝氏千萬度。

數十億年後，恆星核心內的氫將逐漸用盡，轉變以氦為主，而核心外圍則有一層氫燃燒的球層。此時內部的溫度仍不足以點燃氦的核反應，在赫羅圖上的演化階段從主序星帶慢慢往上方偏移，進入 次巨星 (subgiant) 階段，它們與主序星有類似的光譜類型，但較為明亮。

這個階段主要是燃燒氦核外面的氫層。由於恆星內部的核反應停止，核融合產生的能量無法對抗重力的坍縮，因此內部的氦核會漸漸轉變為量子簡併的狀態，核心慢慢縮小，溫度和密度則漸漸增加（溫度約為一億度），但外層反而漸漸冷卻膨脹而轉變為 紅巨星 (red giant)。

生生不息的恆星演化生命循環 (Credits: star formation: NASA/JPLCaltech/UCLA; protostar: NASA/ESA/the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/IPHAS; sun, red dwarf, supernova explosion & neutron star: NASA; planetary nebula: ESO/VISTA/J. Emerson; red supergiant & black hole: NASA/Ames/STSCl/G. Bacon) 圖／三民提供

當核心內部的溫度最終達到足以點燃氦的核融合反應，使氦核心不再是簡併狀態而快速膨脹，此即氦閃 (helium flash)。核心的氦透過 三氦過程 (triplealpha process)融合成碳，效率比氫的核反應高非常多。這時核心內部達到新的平衡，在赫羅圖上從紅巨星階段往左邊平行移動，稱為 水平分支 (horizontal branch)。

如同氫一般，最終核心的氦也將用盡，進入 漸近巨星分支 (asymptotic giant branch)，此時恆星內部將再度變回簡併狀態而成為一顆 白矮星 (white dwarf)，而外層由於劇烈的恆星風不斷將物質吹出，形成 行星狀星雲 (planetary nebula)。低質量恆星的重力不足以使內部再度點燃碳的核反應。

大質量恆星

大於 8 倍太陽質量的大質量恆星，由於重力很強大，內部的氫燃燒完就只剩外層在燃燒，其溫度足以點燃氦的核反應，所以不會產生簡併狀態的核心，甚至可以一路燃燒下去，演化為 超巨星 (supergiant)。

蟹狀星雲是一顆恆星爆炸粉碎成為超新星之後的殘骸。圖／wikimedia

演化到最後，恆星內部會形成一個簡併的鐵核心，外圍則如洋蔥般依序圍繞著矽、氧、氖、碳、氦與最外圍的氫。比鐵輕的元素可以透過核融合放出能量，但是鐵非常穩定，如果要融合出超過鐵的元素反而需要給予能量，因此大質量恆星的核融合反應只會達到鐵。

簡併的鐵核是有質量上限的，當重力超過簡併壓力所能負擔的極限，核心會發生坍縮，形成 超新星 。而在超新星爆炸後，依其質量與內部結構的不同分布可能留下一顆 中子星 或黑洞。

總有一天地球會被吞食？

圖／pixabay

不管是低質量恆星產生的行星狀星雲，或是大質量恆星產生的超新星殘骸，最終回歸宇宙中的雲氣會再度形成第二代的恆星，生生不息地循環下去。我們的太陽也註定在約 5 億年後慢慢演化成紅巨星，其體積將會膨脹，除了吞食水星和金星，甚至可能會把地球也吞沒，屆時人類必定要離開地球（如果那時人類還存在）。

在進入紅巨星的階段之前，太陽演化至次巨星時，強烈的亮度會使地球升溫，溫度就像目前的金星，使地球不適合生物居住。幾億年看似還有好久，我們或許還不需要太在意，但在宇宙的某個角落，或許有某個文明正在經歷不得不離開母星的命運也說不定呢！

註解：

宇宙目前的壽命也只有約 140 億年。
光度：luminosity，天體每秒從其表面所輻射出的總能量。
木星質量約為太陽質量的千分之一或地球質量的 320 倍。
透過質子—質子連鎖反應，protonproton chain。

——本文摘自泛科學 2019 年 12 月選書《蔚為奇談！宇宙人的天文百科》，2019 年 11 月，三民出版。

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