宇宙与恒星的演化

人们总是对宇宙、恒星充满好奇，今天我们就来沿着物理学家们探究的轨迹谈谈宇宙、恒星的形成与演化。
　　
　　一、宇宙的演化
　　
　　物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”根据宇宙大爆炸的理论，宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。在大爆炸后约10-44s，那时的温度为1032K，产生了夸克、轻子胶子等粒子。大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K左右，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时候，温度下降到1011K时，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代成为轻子时代。当温度下降到109K时，中子和质子结合成氘核，并很快形成氦核，同时有氚核、氦3等轻核生成，此时代成为核合成时代。目前宇宙中存在的大部分氦是那时侯形成的。大爆炸1万年之后，温度降到104K，此时的宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。当温度降到3000K时，电子与质子复合成为中性的氢原子。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离逐步组成恒星和星系。
　　
　　二、恒星的演化
　　
　　根据大爆炸宇宙学，大爆炸10万年后，温度下降到了3000K左右，出现了有中性原子构成的宇宙尘埃。某些尘埃间的距离相对近些，由于万有引力的作用，形成了更密集的尘埃。尘埃像雪球一样越滚越大，形成了气体状态的星云团。星云团的进一步凝聚使得引力势能转变为内能，温度升高。温度上升到一定程度就开始发光。于是，恒星诞生了。这颗星继续收缩、继续升温。当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氢，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星体稳定下来。恒星在这一阶段停留的时间最长。太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段。
　　
　　当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦之后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩。这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应。类似的过程一波又一波地继续下去，出现氧、硅，直到铁等更重要的元素。恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化。当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大。
　　
　　恒星最后的归宿是什么？这与恒星的质量大小有关。天体物理的研究表明，如果恒星的质量小于1.4倍的太阳质量，它会演变为白矮星，即体积很小，但质量不太小的恒星。如果恒星的质量是太阳质量的1.4-2倍，更强大的压力使得原子被“压碎”，电子和质子被压在一起，整个恒星成为中子组成的天体，叫做中子星。当恒星的质量更大时，其内部的任何物质都无法抵抗巨大引力产生的压力，物质被“压”成了更为神奇的天体——黑洞。