22.4: 恒星的进一步演变

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 解释一下当所有氢气都用完后恒星的核心会发生什么
• 定义 “行星星云” 并讨论其起源
• 讨论恒星演化后期新化学元素的产生

到目前为止，我们所讲的 “生命故事” 几乎适用于所有恒星：每颗恒星起初都是收缩的原恒星，然后在生命的大部分时间里都以稳定的主序列恒星的身份生活，最后从主序列向红巨区域移动。

正如我们所看到的，每颗恒星经历这些阶段的速度取决于其质量，而质量越大的恒星进化得越快。 但是在此之后，不同质量的恒星的生活故事各不相同，根据它们的质量、组成以及附近是否存在任何同伴恒星，可能的行为范围更广。

因为我们为参加第一门天文学课程的学生写了这本书，所以我们将简要讲述恒星在进入生命最后阶段时所发生的情况。 我们（也许令你松了一口气）不会深入研究衰老恒星的所有可能行为方式，也不会深入研究二进制系统中恒星被第二颗恒星绕轨道运行时发生的奇怪事情。 相反，我们将只关注单星演化的关键阶段，并展示高质量恒星的演化与低质量恒星（例如我们的太阳）的演化有何不同。

氦聚变

让我们首先考虑其成分与太阳相似的恒星，其初始质量相对较低——质量不超过太阳质量的两倍左右。 （这样的质量可能看起来不太低，但是质量小于这个质量的恒星的行为方式都相当相似。 我们将在下一节中看到质量更高的恒星会发生什么。） 因为银河系中的低质量恒星比高质量恒星多得多，所以包括我们的太阳在内的绝大多数恒星都遵循我们即将关联的情景。 顺便说一句，我们仔细使用了恒星的初始质量一词，因为正如我们将看到的那样，恒星在衰老和死亡的过程中可能会损失相当多的质量。

请记住，红色巨人最初是氦核心，不产生能量，周围环绕着氢气正在进行聚变的外壳。 核心没有能量来源来对抗重力的内向拉力，正在萎缩和变热。 随着时间的推移，核心的温度可能会上升到比主序列时代高得多的值。 一旦达到1亿K的温度（但在这个点之前），三个氦原子就可以开始融合形成单个碳核。 这个过程被称为 t riple-alpha 过程，之所以这样命名，是因为物理学家称氦原子的原子核为 alpha 粒子。

当三阿尔法过程在低质量（大约0.8至2.0个太阳质量）恒星中开始时，计算表明，整个核心是在称为氦闪的快速聚变爆发中点燃的。 （质量更大的恒星也会点燃氦气，但会更缓慢而不是用闪光灯点燃。） 一旦恒星中心的温度升高到足以启动三α过程，释放的额外能量就会迅速传递到整个氦核，从而产生非常快速的加热。 加热加速了核反应，从而提供了更多的热量，并进一步加速了核反应。 我们有失控的能量产生，它可以瞬间重新点燃整个氦核。

你可能想知道为什么恒星核聚变的下一个重要步骤涉及三个氦核，而不仅仅是两个氦核。 尽管让两个氦核碰撞要容易得多，但这种碰撞的产物并不稳定，而且很快就会分解。 需要三个氦核同时聚集在一起才能形成稳定的核结构。 鉴于每个氦核都有两个正质子，而且这些质子相互排斥，你可以开始明白问题所在。 将三个氦核（六个质子）撞击在一起并使它们粘在一起，需要1亿K的温度。 但是当这种情况发生时，恒星会产生一个碳核。

你的小手指里有星星

暂时停止阅读，看看你的小手指。 它充满了碳原子，因为碳是地球生命的基本化学组成部分。 这些碳原子中的每一个都曾经存在于一颗红巨星中，并在三α过程中从氦核融合而成。 地球上的所有碳 —— 你、你用来烧烤的木炭中，以及你可能与亲人交换的钻石中 —— 都是由前几代星星 “煮熟” 的。 我们将在下一章中讨论碳原子（和其他元素）是如何从其中一些恒星内部进入地球的。 现在，我们要强调的是，从非常真实的意义上讲，我们对恒星演化的描述是我们自己的宇宙 “根源” 的故事，即我们自己的原子如何起源于恒星的历史。 我们是由 “星星的东西” 组成的。

再次成为巨人

氦气闪过后，这颗恒星在主序列阶段结束和中心氢燃料耗尽之后的 “能量危机” 中幸存下来，再次找到了平衡。 随着恒星适应其核心中三α过程释放的能量，其内部结构再次发生变化：其表面温度升高，整体亮度降低。 因此，H—R 图上代表星星的点移动到其位置左侧的新位置，略低于其作为红色巨人的位置（图\(\PageIndex{1}\)）。 然后，恒星继续将氦气融合到其核心中一段时间，恢复到主序列阶段所特有的压力和重力之间的平衡。 在这段时间里，恒星中心新形成的碳核有时可以与另一个氦核相连，产生氧气核，这是生命的另一个基石。

在 H—R 图上绘制像太阳一样恒星的\(\PageIndex{1}\)演变图。 恒星生命中的每个阶段都被贴上了标签。 (a) 恒星从主序列演变为红色巨星，表面温度降低，亮度增加。 (b) 发生氦闪光，导致恒星内部结构的调整，(c) 短暂的稳定期，在此期间，氦气与核心中的碳和氧融合（在此过程中，恒星变得比红色巨人更热，发光更少）。 (d) 中央氦气耗尽后，恒星再次变成巨星，并移动到更高的亮度和更低的温度。 但是，到这个时候，恒星已经耗尽了其内在资源，很快就会开始死亡。 在进化轨迹变成虚线的地方，变化如此之快，难以建模。

但是，在1亿K的温度下，内核正在快速转化其氦燃料或碳（以及一点氧气）。 因此，新的稳定期不可能持续很长时间：它比主序列阶段短得多。 很快，所有足够热以进行聚变的氦气都将被耗尽，就像恒星演化早期用完的热氢一样。 再一次，内核将无法通过聚变产生能量。 重力将再次接管，核心将再次开始缩小。 我们可以将恒星演化看作是一个不断与引力崩溃作斗争的故事。 恒星只要能利用能量就能避免崩溃，但是一旦任何特定的燃料用完，它就会再次开始崩溃。

恒星的情况类似于主序列阶段的结束（中央氢气用完时），但是恒星现在的结构要复杂一些。 同样，恒星的核心在自身的重量下开始崩溃。 碳和氧芯收缩所释放的热量流入核心正上方的氦气壳。 这种氦气以前还不够热，无法聚变为碳，但其加热刚好足以开始聚变并产生新的能量流。

在恒星更远的地方，还有一个外壳，新鲜的氢气已经被加热到足以融合氦气。 恒星现在具有像洋葱一样的多层结构：碳氧核心，周围环绕着氦聚变壳、氦气层、氢聚变壳，最后是恒星延伸的外层（见图\(\PageIndex{2}\)）。 随着能量从两个聚变炮弹向外流动，恒星的外部区域再次开始膨胀。 它短暂的稳定期已经结束；恒星在短时间内移回 H—R 图上的红巨域（见图\(\PageIndex{1}\)）。 但这是一次短暂而最后的荣耀爆发。

死亡前在一颗低质量恒星里的人物图\(\PageIndex{2}\)层。 在这里，我们可以看到恒星内部的各层，其初始质量小于太阳质量的两倍。 从中心向外包括碳氧核心、一层热到足以融合的氦气、一层较冷的氦气、一层热到足以融合的氢气，然后是外面冷却的氢气。

回想一下，上一次恒星陷入这种困境时，氦聚变救了它。 恒星中心的温度最终变得足够高，足以让前一步聚变的产物（氦气）成为下一步（氦气融合成碳）的燃料。 但是，氦核聚变之后的步骤需要温度如此之高，以至于我们正在讨论的那种质量较低的恒星（少于2个太阳质量）根本无法压缩它们的核心来到达它。 这样的恒星不可能有其他类型的聚变。

因此，在一颗质量与太阳质量相似的恒星中，碳氧核心的形成标志着恒星中心核能产生的结束。 这颗恒星现在必须面对它即将死亡的事实。 我们将在《星之死》中讨论这样的恒星是如何结束生命的，但与此同时，表格\(\PageIndex{1}\)总结了迄今为止在质量与太阳相同质量的恒星生命中讨论的各个阶段。 让我们对恒星演化计算充满信心的一件事是，当我们绘制较旧星团的 H—R 图时，我们实际上看到了处于我们一直在讨论的每个阶段的恒星。

表\(\PageIndex{1}\)：具有太阳质量的恒星的演变

舞台	这个阶段的时间（年）	表面温度 (K)	亮度 (\(L_{\text{Sun}}\))	直径（太阳 = 1）
主序列	11 亿	6000	\ (L_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >1	1
变成红巨人	13 亿	至少 3100	\ (L_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >2300 最大	165
氦聚变	1 亿	4800	\ (L_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >50	10
又是巨人	两千万	3100	\ (L_ {\ text {Sun}}\)” style= “vertical-align: middle;” >5200	180

红巨星的质量损失和行星星云的形成

当恒星膨胀成红色巨人时，它们的半径非常大，因此逃生速度很低。 ¹ 辐射压力、恒星脉动和氦闪等剧烈事件都可能驱使外层大气中的原子远离恒星，并导致恒星在太空中损失很大一部分质量。 例如，天文学家估计，当像太阳这样的恒星到达氦闪点时，它将损失多达25％的质量。 而且，当它第二次登上红巨树枝时，它可能会损失更多的质量。 结果，衰老的恒星被一个或多个膨胀的气体壳包围，每个气体壳含有多达太阳质量的10—20％（或0.1—0.2\(M_{\text{Sun}}\)）。

当碳氧核心中的核能生成停止时，恒星的核心开始收缩，并随着压缩程度越来越高而升温。 （请记住，这种压缩不会因为这些低质量恒星中的另一种聚变而停止。） 整颗恒星随之而来，不断缩小，也变得非常热，表面温度高达 100,000 K。这些热恒星是恒星风和紫外线辐射的强大来源，它们向外扫过恒星还是红色巨人时喷出的物质壳。 风和紫外线辐射加热炮弹，将其电离，然后使它们发光（就像来自炎热的年轻恒星的紫外线辐射会产生 H II 区域一样；参见《星际之间：太空中的气体和尘埃》）。

结果是创造了宇宙中一些最漂亮的物体（参见图中的画廊\(\PageIndex{3}\)和章节缩略图）。 这些天体在十八世纪首次被发现时被赋予了一个极具误导性的名称：行星星云。 这个名字源于这样一个事实，即通过小型望远镜观察时，一些行星星云呈圆形，表面上与行星相似。 实际上，它们与行星无关，但是一旦在天文学中经常使用名称，就很难对其进行更改。 在我们自己的银河系中有成千上万的行星星云，尽管许多星云因为它们的光被星际尘埃吸收而被隐藏在视线之外。

行星星云图\(\PageIndex{3}\)库。 这一系列精美的图像描绘了一些有趣的行星星云，突显了哈勃太空望远镜的能力。 (a) 也许最著名的行星星云是环状星云（M57），它位于距离天琴座大约2000光年的星座中。 环的直径约为1光年，中心恒星的温度约为12万°C。对这张照片的仔细研究表明，科学家们可能不是在看这颗垂死的恒星周围的球壳，而是向下看管子或圆锥体的枪管。 蓝色区域显示来自非常热的氦气的发射，该氦离恒星非常近；红色区域隔离了电离氮的排放，电离氮是由离恒星最远的最冷气体辐射的；绿色区域代表氧气排放，氧气排放是在中等温度下产生的在距离恒星的中间距离处。 (b) 这个行星星云M2-9就是蝴蝶星云的一个例子。 中心恒星（是二进制系统的一部分）优先向两个相反的方向喷射质量。 在其他图像中，在中间的两颗恒星周围可以看到一个垂直于两条长气流的圆盘。 导致物质被驱逐的恒星爆发发生在大约 1200 年前。 中性氧以红色显示，曾经电离过的氮以绿色显示，两次电离的氧以蓝色显示。 行星星云距离蛇夫座大约 2100 光年。 (c) 在这张行星星云NGC 6751的图像中，蓝色区域标志着最热的气体，它在中心恒星周围形成一个环。 橙色和红色区域显示较冷气体的位置。 这些酷炫彩带的起源尚不清楚，但它们的形状表明它们受到来自中心热星的辐射和恒星风的影响。 恒星的温度约为140,000°C。星云的直径大约是太阳系直径的600倍。 天鹰座中的星云距离大约 6500 光年。 (d) 这张行星星云NGC 7027的图像显示了质量损失的几个阶段。 中心区域周围微弱的蓝色同心壳识别了恒星变成红色巨人时从恒星表面缓慢脱落的质量。 过了一会儿，剩下的外层被喷射出来，但不是以球形对称的方式喷射的。 这次晚期弹射形成的密集云层产生了明亮的内部区域。 在雾化中心附近可以微弱地看到这颗炙手可热的中心恒星。 NGC 7027 距离天鹅座方向大约 3000 光年。

如图所\(\PageIndex{3}\)示，有时行星星云看起来像一个简单的环。 其他人则在亮环周围有微弱的炮弹，这证明当恒星是红色巨人时曾发生过多次质量损失事件（见图中的图（d）\(\PageIndex{3}\)）。 在少数情况下，我们可以看到两个物质叶朝相反的方向流动。 许多天文学家认为，相当数量的行星星云基本上由相同的结构组成，但是我们看到的形状取决于视角（图\(\PageIndex{4}\)）。 根据这个想法，垂死的恒星周围环绕着一个非常密集的甜甜圈形气盘。 （理论家还没有明确解释为什么垂死的恒星会产生这枚戒指，但许多人认为其中涉及到常见的双星。）

解释行星星云不同形状的图形\(\PageIndex{4}\)模型。 在许多情况下，我们在行星星云中看到的不同形状范围可能来自相同的几何形状，但可以从不同的观察方向上看。 基本形状是一颗炙手可热的中心恒星，周围环绕着厚厚的圆环（或甜甜圈形的圆盘）的气体。 恒星的风不能很容易地朝环面的方向流入太空，但可以在垂直于它的两个方向上更自由地逃脱。 如果我们沿着流向（Helix Nebula）观察星云，它将看起来几乎是圆形的（就像直接向下看一个空的冰淇淋圆锥一样）。 如果我们沿着环体的赤道观察，我们会看到流出物和非常细长的形状（Hubble 5）。 目前对行星星云的研究侧重于最初在恒星周围出现环形的原因。 许多天文学家认为，基本原因可能是许多中心恒星实际上是近距离的双星，而不是单星。

随着恒星继续失去质量，离开恒星的任何密度较低的气体都无法穿透圆环，但气体可以朝垂直于圆盘的方向向向流动。 如果我们垂直于流出方向看，我们就会看到圆盘和两个向外流动。 如果我们 “往下看”，往水流里看，就会看到一个戒指。 在中间角度，我们可能会看到非常复杂的结构。 将图中的视点\(\PageIndex{4}\)与图中的图像进行比较\(\PageIndex{3}\)。

行星星云壳通常以 20—30 km/s 的速度膨胀，而典型的行星星云的直径约为 1 光年。 如果我们假设气壳以恒定速度膨胀，我们可以计算出我们可见的所有行星星云的壳最多是在过去的5万年内弹出的。 在这段时间之后，炮弹膨胀得如此之大，以至于它们太薄又脆弱，看不见。 这是可以观测到每个行星星云的相当短的时间（与恒星的整个生命周期相比）。 尽管如此，鉴于我们所看到的此类星云的数量，我们必须得出结论，所有恒星中有很大一部分是通过行星星云阶段进化而来的。 由于我们看到低质量恒星比高质量恒星常见得多，这证实了我们对行星星云的看法，即行星星云是低质量恒星演化的 “最后一口气”。

宇宙回收

死亡恒星造成的质量损失是我们在《星际之间：太空中的气体和尘埃》中讨论的巨大宇宙回收计划的关键一步。 请记住，恒星是由巨大的气体和尘埃云形成的。 随着生命的终结，恒星会将部分气体返回到银河系的原材料储藏库。 最终，一些从老化恒星中排出的物质将参与新恒星系统的形成。

但是，老化恒星返回银河系的原子不一定与最初收到的原子相同。 毕竟，这颗恒星在其生命周期中已经融合了氢气和氦气，形成了新的元素。 在红巨阶段，来自恒星中心区域的物质被疏通并与其外层混合，这可能会导致进一步的核反应和更多新元素的产生。 因此，从这些恒星向外吹来的风包括恒星核心内 “新铸造” 的原子。 （正如我们将看到的，这种机制对高质量恒星更为有效，但它确实适用于质量像太阳一样的恒星。） 通过这种方式，Galaxy的原材料不仅可以得到补给，还可以获得新元素的注入。 你可能会说这个宇宙回收计划让宇宙一直变得更加 “有趣”。

红巨太阳和地球的命运

太阳的演化将如何影响未来地球的状况？ 尽管在有记录的人类历史上，太阳的大小和亮度显得相当稳定，但与我们一直在讨论的时间尺度相比，这段短暂的跨度毫无意义。 让我们来看看我们星球的长期前景。

大约45亿年前，太阳在零时代主序列上占据了一席之地。 当时，它只发射了当今辐射能量的70％左右。 人们可能会预计，如果海洋被冻结为固体，地球会比现在冷很多。 但是，如果是这样的话，就很难解释为什么在地球还不到十亿年的时候存在简单的生命形式。 科学家们现在认为，解释可能是地球年轻时大气中存在的二氧化碳要多得多，而更强烈的温室效应使地球保持温暖。 （在温室效应中，二氧化碳或水蒸气等气体允许太阳的光线进入，但不允许来自地面的红外辐射逸回太空，因此地球表面附近的温度升高。）

随着太阳亮度的增加，地球大气中的二氧化碳稳步下降。 随着更亮的太阳升高地球的温度，岩石风化得更快并与二氧化碳发生反应，将其从大气中排出。 较温暖的太阳和较弱的温室效应使地球在其生命的大部分时间里都处于几乎恒定的温度。 这种非凡的巧合导致了相当稳定的气候条件，是我们星球上复杂生命形式发展的关键。

由于其核心中氦气的积聚引起的变化，随着年龄的增长，太阳的亮度将继续增加，越来越多的辐射将到达地球。 一段时间内，二氧化碳的含量将继续减少。 （请注意，这种效应抵消了人类活动中二氧化碳的增加，但时间太慢了，无法抵消未来100年可能发生的气候变化。）

最终，地球的加热将融化极帽并增加海洋的蒸发。 水蒸气也是一种有效的温室气体，足以弥补二氧化碳的减少。 迟早（大气模型尚不足以准确说明时间，但估计在5亿至20亿年之间），水蒸气的增加会造成失控的温室效应。

大约10亿年后，地球将失去其水蒸气。 在高层大气中，阳光会将水蒸气分解成氢气，而快速移动的氢原子将逸出到外太空。 像 Humpty Dumpty 一样，水分子无法重新组合在一起。 地球将开始像今天的金星，温度将变得过高，无法维持我们所知道的生命。

所有这些都将在太阳变成红色巨人之前发生。 然后坏消息真的开始了。 随着太阳的膨胀，它将吞没水星和金星，而与恒星外层大气的摩擦将使这些行星向内旋转，直到它们完全蒸发。 目前尚不清楚地球是否会逃脱类似的命运。 如本章所述，当太阳变成红色巨人时，它将失去部分质量。 当太阳失去质量时，它的引力会减弱。 结果将是地球轨道的直径会增加（记住开普勒的第三定律）。 但是，最近的计算还表明，地球在太阳上升的潮汐所产生的力将朝相反的方向起作用，从而导致地球轨道缩小。 因此，许多天体物理学家得出结论，地球将与水星和金星一起蒸发。 不管这个可怕的预测是否属实，毫无疑问，地球上的所有生命肯定会被焚毁。 但是不要因此而失去任何睡眠——我们说的是数十亿年后将发生的事件。

那么，保护我们所知道的地球生命的前景如何？ 你可能会想到的第一个策略是将人类转移到一个更遥远、更凉爽的星球。 但是，计算表明，在很长一段时间（数亿年）中，没有行星是可居住的。 例如，在火星足够热之前很久，地球就变得太温暖了，无法维持生命。

更好的选择可能是将整个地球逐渐移到离太阳更远的地方。 这个想法是使用重力，就像美国宇航局使用重力将航天器送往遥远的星球一样。 当航天器在行星附近飞行时，行星的运动可用于加速航天器、减速或重定向。 计算表明，如果我们要重定向一颗小行星，使其沿着地球和木星之间的正确轨道行驶，它可以将轨道能量从木星转移到地球，然后缓慢地向外移动地球，从而在每次飞越时使我们远离膨胀的太阳。 由于我们有数亿年的时间来改变地球的轨道，因此每次飞越的影响不一定很大。 （当然，指挥小行星的人最好让轨道完全正确，不要让小行星撞击地球。）

考虑将整个行星移到另一个轨道的项目似乎很疯狂。 但是请记住，我们正在谈论遥远的未来。 如果奇迹般地说，人类能够一直相处而不把自己搞得一团糟，那么我们的技术很可能比今天复杂得多。 也可能是如果人类存活了数亿年，我们可能会传播到其他恒星周围的行星或栖息地。 事实上，到那时，地球可能是一个博物馆世界，来自其他星球的年轻人会返回这个世界来了解我们物种的起源。 到那时，进化也有可能改变我们，使我们能够在截然不同的环境中生存。 在这数十亿年之后，看到人类故事的结果如何，难道不是很令人兴奋吗？

关键概念和摘要

在恒星变成红色巨人之后，它们的核心最终变得足够热，足以通过融合氦气形成碳（有时还有一点氧气）来产生能量。 三个氦核的聚变通过三α过程产生碳。 氦聚变在低质量恒星的核心迅速开始被称为氦闪光。 此后，恒星变得稳定并短暂地降低其亮度和大小。 在质量约为太阳质量两倍或更小的恒星中，核中的氦气耗尽后聚变就会停止。 氢气和氦气在收缩核心周围的炮弹中聚变使恒星再次成为鲜红色的巨人，但只是暂时的。 当恒星是红色巨人时，它可以脱落外层，从而暴露出热的内层。 行星星云（与行星无关）是由这些恒星喷出的气体壳，由垂死的中心恒星的紫外线辐射发光。

脚注

¹ 回想一下，重力不仅取决于进行拉力的质量，还取决于我们与重心的距离。 随着一颗红巨星变大，恒星表面的某个点现在离中心更远，因此重力会降低。 这就是逃离恒星所需的速度下降的原因。

词汇表

氦闪光灯

在 triple-alpha 过程中，氦气在红巨星的密集核心中几乎是爆炸性点火

行星星云

由一颗即将结束生命的极热的低质量恒星喷出并从其膨胀出来的气壳（星云发光是因为中心恒星的紫外线能量）

三重 alpha 流程

一种核反应，通过该反应将三个氦核积聚（融合）成一个碳核