恆星質量為什麼不好

A. 為什麼恆星質量越大，壽命越短

我們都知道恆星是宇宙中發光發熱的主力軍，夜空中的點點繁星除了少數幾顆太陽系行星外其餘都是恆星，我們的太陽是一顆中等質量的黃矮星，距離最近的比鄰星是一顆紅矮星，天狼星則是由一顆白矮星和一顆藍矮星組成的雙星系統。

我們的太陽就是一顆不大不小的恆星，至今已經有50億年的壽命了，而據科學家觀測宇宙中一些恆星只有幾百萬年幾千萬年的壽命，是由於質量太大內部核聚變太劇烈。

太陽的質量在宇宙恆星中已經算是小的了，但是太陽比銀河系90%的恆星都大，也所幸如此，太陽系也比較穩定，地球生命可以演化到現在，人類才得以出現。

B. 為什麼恆星的質量越大, 壽命反而越短

恆星，在宇宙中佔2000多億顆的數量，可以說是一個宇宙中最龐大的集團。研究恆星在銀河系中的存在，可以讓我們更清晰地認識宇宙的奧秘，揭開宇宙運行之謎。

雖然恆星比率眾多，但是他們各自的演變過程卻是不一致的，每個恆星的生成及演變過程都是他獨有的體積質量值所影響的。

那麼這是為何呢？體積和質量又是怎麼影響一顆恆星的演化過程呢？

要回答這個問題其實不難。真相其實很簡單，主要原因還是在質量身上。質量越大的星體，其內部運作壓力也就更大。這種壓力下，恆星內部的氫氣快速地燃燒，並且質量越大，壓力越強，燃燒越快，星體的演化也就更快，有的死亡，有的進行超星體演變後成為白矮星，中子星，或者黑洞。體積和質量在演化過程中和死亡速度成正比。

讓我們拿銀河系中最重要的太陽來做個類比。打個比方，如果太陽的壽命在100億年左右，那麼比太陽大上一倍的恆星的壽命就在太陽的億份之一，也就是一百億年就步入死亡。這種大質量的恆星壽命可以說是很短的。

另外，有一個叫「恆星風」的概念也在影響著恆星的壽命。什麼是「恆星風」？當一個恆星體積巨大之時，會向太空中拋出粒子，以每秒眾多的數量向外散射，形成了恆星風。恆星風其實就是恆星的一部分物質，星體越大，這部分的流失也就越多，也是成正比的關系。從這點看出，恆星大質量造成的粒子式的質量流失也是非常大的。

所以大質量的恆星滅亡的速度更快，它或許成為白矮星，或許成為中子星，亦或成為黑洞。

C. 為什麼普通恆星的質量會受到限制

用肉眼看上去像一顆星那樣的光點，往往是雙星，就是兩顆在空中靠得很近的星。大多數雙星的子星都靠得很近，所以它們之間存在很強的萬有引力，這就意味著每顆子星繞著雙星共同的質心按橢圓軌道運動。

天文學家對雙星感興趣的原因之一是：只有對顯著受到萬有引力作用的恆星，才能直接確定其質量。當然，每顆恆星都在一定范圍內受到宇宙中其他恆星的影響，然而大多數恆星之間的距離非常遙遠，因此，只有雙星之間的萬有引力作用才能被察覺出來；也只有對它們才能進行精確的質量測量。雖然存在如此多的雙星，但不能說我們所知道的就是雙星的全部。

測量表明，恆星的質量范圍為太陽質量的1／10到60倍，比起行星具有的質量大不了許多。要弄懂為什麼普通恆星的質量要受到限制這一點並不難。小於1／10太陽質量的物體的萬有引力不會產生足夠大的收縮量，以達到原子核反應所需要的溫度。另一方面，質量過大的恆星將會由於加快了原子核反應而變得很熱，以致它的引力無法抵消隨之出現的膨脹壓力，並使它保持為一個整體。

D. 為什麼有的恆星體積比太陽大，而質量卻比太陽小呢

太陽，相信大家都很熟悉，曾經一段時間我們以為它是宇宙的中心，實際上它只是一顆恆星。太陽只是銀河系中一顆普普通通的恆星，如果說不普通，因為它是銀河系內已知唯一孕育了生命的恆星系統。

銀河系真的很大，直徑大約為10～20萬光年。根據科學家的估計，銀河系中大約有1000億~4000億顆恆星。說到這個數據，可能有的人不信。其實這個數據並不是科學家一顆一顆數出來的，而是根據統計學原理估算出來的。你想知道足球場大約有多少根草，難道非要去動手數一遍嗎？

在宇宙中，人類已知質量最大的恆星是R136a1，它的質量至少是太陽質量的265倍。R136a1是一顆超大質量的藍巨星，由於內部的聚變反應非常猛烈，它的壽命只有區區的數百萬年。

E. 恆星質量為什麼存在差異

按照我的理解來說，恆星可以由不同密度的氣體形成，但常常假定當它們達到了一定臨界質量就會發生聚變。一旦達到臨界質量發生聚變，直到向外的壓力抵消引力為止，那麼所有恆星的大小應當大致相同，然而事實並非如此。

F. 為什麼恆星質量越大壽命越短呢

1.一般恆星的質量越大壽命越短。比如太陽的壽命為100億年。作為比較，半人馬座比鄰星，視星等只有11等，直徑只有太陽的七分之一，亮度只有太陽的千分之一，表面溫度只有太陽的三分之一，僅2000度，但是它的壽命卻達到太陽的7倍，壽命長達700多億年。據估計，壽命最長的恆星壽命可以達到1500億年，而在銀河系的另一端,有一顆名叫「手槍星」的恆星,直徑達到太陽的2000倍，表面溫度約65000度，輻射的能量達到太陽的3000萬倍，估計該恆星的壽命不過1000萬年。
恆星質量和壽命的對照

恆星質量（以太陽為單位） 壽命

0.1 1000億年

0.5 500億

1 100億

2 60億

5 30億

10 10億

20 5億

60 7000萬年

100 400萬年

120 270萬年 2.我們首先來看恆星的一生：
恆星的誕生
在星際空間普遍存在著極其稀薄的物質，主要由氣體和塵埃構成。它們的溫度約10～100K，密度約10-24～10-23g/cm3，相當於1cm3中有1～10個氫原子。星際物質在空間的分布並不是均勻的，通常是成塊地出現，形成彌漫的星雲。星雲里3/4質量的物質是氫，處於電中性或電離態，其餘約?是氦以及極少數比氦更重的元素。在星雲的某些區域還存在氣態化合物分子，如氫分子、一氧化碳分子等。如果星雲里包含的物質足夠多，那麼它在動力學上就是不穩定的。在外界擾動的影響下，星雲會向內收縮並分裂成較小的團塊，經過多次的分裂和收縮，逐漸在團塊中心形成了緻密的核。當核區的溫度升高到氫核聚變反應可以進行時，一顆新恆星就誕生了。'
主序星
恆星以內部氫核聚變為主要能源的發展階段就是恆星的主序階段。處於主序階段的恆星稱為主序星。主序階段是恆星的青壯年期，恆星在這一階段停留的時間占整個壽命的90%以上。這是一個相對穩定的階段，向外膨脹和向內收縮的兩種力大致平衡，恆星基本上不收縮也不膨脹。恆星停留在主序階段的時間隨著質量的不同而相差很多。質量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序階段的時間就越短。例如：質量等於太陽質量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恆星，處於主序階段的時間分別為一千萬年、七千萬年、一百億年和一萬億年。
目前的太陽也是一顆主序星。太陽現在的年齡為46億多年，它的主序階段已過去了約一半的時間，還要50億年才會轉到另一個演化階段。與其他恆星相比，太陽的質量、溫度和光度都大概居中，是一顆相當典型的主序星。主序星的很多性質可以從研究太陽得出，恆星研究的某些結果也可以用來了解太陽的某些性質。
紅巨星與紅超巨星
當恆星中心區的氫消耗殆盡形成由氦構成的核球之後，氫聚變的熱核反應就無法在中心區繼續。這時引力重壓沒有輻射壓來平衡，星體中心區就要被壓縮，溫度會急劇上升。中心氦核球溫度升高後使緊貼它的那一層氫氦混合氣體受熱達到引發氫聚變的溫度，熱核反應重新開始。如此氦球逐漸增大，氫燃燒層也跟著向外擴展，使星體外層物質受熱膨脹起來向紅巨星或紅超巨星轉化。轉化期間，氫燃燒層產生的能量可能比主序星時期還要多，但星體表面溫度不僅不升高反而會下降。其原因在於：外層膨脹後受到的內聚引力減小，即使溫度降低，其膨脹壓力仍然可抗衡或超過引力，此時星體半徑和表面積增大的程度超過產能率的增長，因此總光度雖可能增長，表面溫度卻會下降。質量高於4倍太陽質量的大恆星在氦核外重新引發氫聚變時，核外放出來的能量未明顯增加，但半徑卻增大了好多倍，因此表面溫度由幾萬開降到三、四千開，成為紅超巨星。質量低於4倍太陽質量的中小恆星進入紅巨星階段時表面溫度下降，光度卻急劇增加，這是因為它們外層膨脹所耗費的能量較少而產能較多。

預計太陽在紅巨星階段將大約停留10億年時間，光度將升高到今天的好幾十倍。到那時候，地面的溫度將升高到今天的兩三倍，北溫帶夏季最高溫度將接近100℃。
大質量恆星的死亡
大質量恆星經過一系列核反應後，形成重元素在內、輕元素在外的洋蔥狀結構，其核心主要由鐵核構成。此後的核反應無法提供恆星的能源，鐵核開始向內坍塌，而外層星體則被炸裂向外拋射。爆發時光度可能突增到太陽光度的上百億倍，甚至達到整個銀河系的總光度，這種爆發叫做超新星爆發。超新星爆發後，恆星的外層解體為向外膨脹的星雲，中心遺留一顆高密天體。
金牛座里著名的蟹狀星雲就是公元1054年超新星爆發的遺跡。超新星爆發的時間雖短不及1秒，瞬時溫度卻高達萬億K，其影響更是巨大。超新星爆發對於星際物質的化學成分有關鍵影響，這些物質又是建造下一代恆星的原材料。

超新星爆發時，爆發與坍塌同時進行，坍塌作用使核心處的物質壓縮得更為密實。理論分析證明，電子簡並態不足以抗住大坍塌和大爆炸的異常高壓，處在這么巨大壓力下的物質，電子都被擠壓到與質子結合成為中子簡並態，密度達到10億噸/立方厘米。由這種物質構成的天體叫做中子星。一顆與太陽質量相同的中子星半徑只有大約10千米。

從理論上推算，中子星也有質量上限，最大不能超過大約3倍太陽質量。如果在超新星爆發後核心剩餘物質還超過大約3倍太陽質量，中子簡並態也抗不住所受的壓力，只能繼續坍縮下去。最後這團物質收縮到很小的時候，在它附近的引力就大到足以使運動最快的光子也無法擺脫它的束縛。因為光速是現知任何物質運動速度的極限，連光子都無法擺脫的天體必然能束縛住任何物質，所以這個天體不可能向外界發出任何信息，而且外界對它探測所用的任何媒介包括光子在內，一貼近它就不可避免地被它吸進去。它本身不發光並吞下包括輻射在內的一切物質，就象一個漆黑的無底洞，所以這種特殊的天體就被稱為黑洞。黑洞有很多奇特的性質，對黑洞的研究在當代天文學及物理學中有重大的意義。

G. 恆星的質量怎麼樣

用肉眼看上去像一顆星那樣的光點，往往是雙星，就是兩顆在空中靠得很近的星。大多數雙星的子星都靠得很近，所以它們之間存在很強的萬有引力，這就意味著每顆子星繞著雙星共同的質心按橢圓軌道運動。

天文學家對雙星感興趣的原因之一是：只有對顯著受到萬有引力作用的恆星，才能直接確定其質量。當然，每顆恆星都在一定范圍內受到宇宙中其他恆星的影響，然而大多數恆星之間的距離非常遙遠，因此，只有雙星之間的萬有引力作用才能被察覺出來；也只有對它們才能進行精確的質量測量。雖然存在如此多的雙星，但不能說我們所知道的就是雙星的全部。

測量表明，恆星的質量范圍為太陽質量的1/10到60倍，比起行星具有的質量大不了許多。要弄懂為什麼普通恆星的質量要受到限制這一點並不難。小於1/10太陽質量的物體的萬有引力不會產生足夠大的收縮量，以達到原子核反應所需要的溫度。另一方面，質量過大的恆星將會由於加快了原子核反應而變得很熱，以致它的引力無法抵消隨之出現的膨脹壓力，並使它保持為一個整體。

H. 為什麼恆星質量越大，壽命越短

上圖是恆星質量與它的壽命之間關系的示意圖。

恆星的質量越大，引力就越強。恆星是依靠內部核聚變反應產生的向外的輻射壓與引力相平衡保持穩定的，恆星的質量越大，引力越強，物質向內的收縮就越「厲害」，就需要有更大的輻射壓來平衡引力。而輻射壓越大，就需要有更劇烈的核聚變反應。核聚變反應越劇烈，單位時間內消耗的物質就越多。質量再大的恆星，它用來進行核聚變反應的物質也是有限的。一旦用於核聚變反應的物質用完了（其實不用用完。一旦恆星中的氫在消耗超過30%時，恆星就會顯出老態），恆星的生命也就進入了倒計時。

所以，恆星質量越大，壽命就越短。一顆只有太陽質量一半的恆星，壽命可長達180億年。而質量為太陽質量的10倍的恆星，壽命就只有幾百萬年了。

I. 為什麼說恆星的質量越小，壽命越長，而大質量的卻剛剛相反

恆星發光發熱的背後其實是核聚變在發揮作用，大量的氫元素在恆星的核心區域受到了高溫和高壓的「蹂虐」後發生了核聚變反應，而這種核聚變反應的劇烈程度和恆星的質量是成正比的，也就是說質量越大的恆星核聚變反應就越強大，如此一來有限的氫元素就會被飛速消耗下去，結果就是大質量恆星的壽命只有幾千萬年甚至幾百萬年。

相比大質量恆星那樣的「短命鬼」，我們太陽這樣的中等質量恆星由於內部核聚變反應「溫和」而得以擁有100億年左右的壽命，如今的太陽可謂是正當壯年。

我們的宇宙誕生至今已經138.2億年了，最早的第一代恆星大部分都已經熄滅或者超新星爆發了，而第一代恆星中的紅矮星卻一直活到了現在，不可謂不長壽，這也告訴我們有時候太劇烈並不是什麼好事，溫和的聚變反應往往能更長久

J. 行星的質量永遠超不過恆星的質量，原因是什麼

太陽系中的太陽是一顆能夠發光發熱的恆星，圍繞它轉的是一些行星、矮行星、小行星等。太陽的質量約占整個太陽系質量的99.8%，行星中巨大的木星也不到太陽質量的千分之一。

如果你給成長中的類木行星投入重元素，其增加的質量會使得星球吸引更多的輕元素。投入1份質量的重元素可能會有50份質量的輕元素隨之被吸引過去。最終還是朝著點燃中心處的核聚變方向發展。

當一顆恆星結束核聚變後可能會變成白矮星、中子星、黑洞，之前圍繞它轉動的行星可能還在繼續繞著恆星的殘骸轉動。此時行星的體積很可能會大於白矮星、中子星等恆星殘骸的體積，不過恆星的殘骸一般不被看作是恆星。