第9章

2.天琴座RR型变星：以这类变星中最亮的1颗——天琴座RR星来命名o.它们的数目较多，有4千多颗，与造父变星相比，许多方面都不如造父变星，例如：光变周期要短些，从1小时10分到1天不等；亮度变化范围也小，不超过0.5等；本身亮度较小，绝对星等只有0.5等；色白，属A型星。

3.长周期变星：这种变星光变的周期很长，从80天到1000天，其有各的代表是鲸鱼座O星，它又名“怪星”，是被人发现最早的变星。1596年曾有人见到它是3等星，可是到那年10月份，它消失不见了。在1603年给恒星命名时，它又悄悄地亮了起来，没有错过取得名字的好机会。它的光变周期在332天左右，最亮时有北极星那么亮，最暗时为9等星，肉眼看不到。它是1颗红巨星，体积很大，它的体内足以容纳1亿个太阳。

上面3种变星都属于“脉动变星”这一类。脉动变星，顾名思义，它的身躯会像脉搏那样一张一缩地跳动，这有点像小孩子吹的气球，当往里面吹气时，它膨胀起来；放气时它就缩小下去，这个有趣的现象是从光谱观测中知道的。在光变周期时间内，它们的光谱线在平均位置附近左右摆动一次，有时向红端移动，有时向紫端移动。研究结果说明，当星体膨胀时，面朝我们的那一部分气体物质就向我们而来，于是谱线紫移；反之，谱线红移。按多普勒公式，可以算出各个时刻星体表面物质的移动速度，如画光变曲线一样，我们也能画出一张速度变化曲线来。如果我们能到造父变星的近旁，就可以欣赏它那奇异的变化情况。开始时，它向外膨胀，速度越来越快。到最大速度时，光最亮；然后膨胀速度变慢，直到停止。这时它的体积最大但光并不最亮，接下去它就收缩，在收缩速度最快时，光最弱。这之后收缩速度减慢，一直到停止，这时体积最小。

造父变星的这种奇怪的行为，使得天文学家为之大伤脑筋。为什么它会脉动，为什么它在体积最小而温度最高时，不能发出最亮的光呢？对这些现象虽然已有了一些理论，但是还不能作出完善的解释。

4.爆发性变星——新星：新星，是新的星吗？如果你真的这样理解的话那就错了。新星并不新，因为平时它很暗，过去很少有人注意到它，它可以在几天之内突然发亮，引起人们的注意，成为一种少见的天空现象。

我国历史文献中有丰富的天象记录，其中记载新星的就有90条。如《汉书·天文志》载：“汉元光年六月，客星见于房。”客星，即新星。房，即房宿(二十八宿之一)，在天蝎座西端，这个时间是公元前134年。在西方，据说喜帕恰斯就是因为看到这颗新星，才促使他去编星表的。

今天，一旦发现新星，消息立即传遍全球。天文台的工作人员一接到电报，便像准备战斗一样紧张地行动起来。他们把望远镜等仪器装备妥当，一到夜晚，世界各地的大大小小望远镜都转动起来，统统指向那位不速之客。他们拍下它的照片，测量它的亮度，摄取它的光谱……行动需要及时，不能错过好机会。因为新星是爆发性的，只要一二天功夫它就达到极大亮度，光度激增几千倍或几万倍，随后它慢慢的减弱下去，经过几年或几十年以后，才又恢复到原先的亮度。分析观测资料使我们可以想象新星爆发的情景。在爆发前，新星的光度并不太亮，和太阳差不多。爆发开始时，它的体积急剧增大，一下子大了几百万倍，亮度增加几万倍。接着它像脱衣服一样把自己的外壳迅速地脱掉，气体外壳犹如吹炸了的气球那样爆炸开来，速度极高。根据光谱测量，这个速度可以达到每秒几百千米，甚至1000千米以上。有的星体还不止抛出一个气壳，还有第二个、第三个气壳接连出现。后出的壳层有时速度比第一个更大，几天之内就超过了第一气壳。这是多么美妙的奇景啊！据估计，新星爆发一次抛出的物质约为它本身质量的万分之一。如果新星的质量与太阳相近，这些物质可以组成30多个地球。可以预料，新星在几天之内发生如此大的变动，虽然不至于使它自身毁灭，但也会使它受到很大的创伤。如果多次爆发，最后必定导致新星发生质的变化。最终可能转化为白矮星。

恒星演化的条件和依据

单单根据序列性来判断恒星的演化途径还是不充分的，尤其是赫罗图表现的是两个因素联合构成的序列，我们不能任意认为恒星要沿哪一条曲线演变。我们还必须研究，在恒星的具体物理条件下，物理定律容许和要求它怎样变化，因此，我们要确定恒星所处的条件，按照物理定律来推算它的变化途径。

研究物体的变化，必须考虑两个最重要的因素：一个是力，一个是能量。物体的运动和转化是由力和能量两方面的物理定律来决定的。

物质的运动决定于它所受到的力。

任何物体都具有引力，因此它必须遵守万有引力定律。

由于热运动，物体内部具有压力。压力与物体的温度、密度、物质成分等因素是通过热力学定律联系起来的。

此外，还有自转引起的惯性离心力，以及电磁力、辐射斥力等等。

我们必须研究：在什么条件下恒星所受到的各种力达到平衡，什么条件下平衡破坏。在各种条件下起主要作用的力是什么？在力的作用下，恒星的密度、温度、体积、光度等参量又怎样变化？

一般情况下，引力和内部的压力是主要矛盾。如果内部压力不足以和引力相抗衡，星体就要收缩：反过来就要膨胀。缓慢变化中的天体可以说是处在大致平衡的状态。

天体的温度、光度决定于它的能量。

我们必须弄清天体能量的来源。天体为什么会发光？什么作用使天体“燃烧”这么长的时间？我们还需要弄清能量怎样传递、怎样消耗？能量的产生、传递、消耗和天体内部温度、压力、化学成分等因素的关系怎样？

关于天体所遵守的力学定律，人们早已完全掌握了。天体的能量传递和损耗也大致清楚了，对流和辐射使能量在天体内部传播，辐射使天体的能量传到空中损失掉；可是，关于天体内部能量的来源却一直不清楚，成为解决恒星演化问题的一个关键。

恒星能量的来源

天文学家很久以来就在思考恒星和太阳能量来源的问题。太阳，是地球上光和热的根本来源，它每秒把枷亿亿亿焦耳的能量释放到太空中去，什么样的燃料使它这样燃烧了40多亿年呢？

起初，有人以为是太阳周围的陨石之类的东西不断掉进去燃烧而发出的热，但是这样需要的陨石太多了，没有这么多的陨石。

后来，有人又以为是引力，引力使太阳收缩，物质在引力作用下向中心运动，把引力势能转化成为动能，就像地面上高处的物体落下的时候那样，然后动能又转化为热能。但是仔细一算，太阳的引力能全部转化为热能，也不能用来维持这么长久而强烈的辐射。

当天文学家为寻找恒星和太阳的能源而苦恼的时候，物理学家在研究原子核结构和核反应方面正在迅速地前进。本世纪30年代末，物理学家从理论上发现，原子核反应可以产生巨大的能量。把这种理论首先用来研究太阳的能源，计算的结果使天文学家和物理学家都惊喜不已。物理学家从“天上”得到了他们理论的第一个检验和支持，太阳的能源正好可以由核能源来解释，天文学家也解决了自己的难题。

在1000多万度的高温下，4个氢原子核可以聚变为1个氦原子核，聚合过程中要释放出巨大的能量，1克氢转化为氦就要释放枷3000千瓦小时(1千瓦小时相当于360万焦耳)的能量，相当于24吨TNT炸药放出的热量。恒星上最多的元素就是氢，普通的恒星拥有几千亿亿亿吨质量，核反应自然可以使恒星强烈地辐射几十亿年而不衰。氦核又可以合成碳核，碳以后是氧，物质逐渐向重元素转化，越往后反应所需要的温度越高。

把核反应理论用在恒星演化上，计算的结果完全符合观测的数据，使恒星演化理论满意地发展起来了。

恒星的演化阶段

物理定律把恒星内部的运动、能量的产生、转移和消耗同它的温度、压力、密度、成分等因素联系起来了。一个因素的变化要引起其他各个因素的变化。研究天体的演化，就是要研究在物理定律制约下，各种因素怎样互相协调地变化。

这些定律不仅决定了天体演化的性质，也决定了变化速度以及发生质变的条件。

按照天体的实际状态，正确地运用物理定律，进行严格的数学推导和数值计算，得出天体的结构和物理参量随时间变化的情形，这样就得到了天体演化的过程，这就是恒星演化理论的基本方法。

对于恒星，已经弄清楚，在它的起源和演化过程中，要经历以下几个主要阶段：

早期阶段——气体星云在引力作用下形成恒星。

中期阶段——内部进行核反应，使恒星发光，一种核反应接着另一种核反应，直到核燃料消耗完。

归宿阶段——核反应结束以后，在引力作用下，恒星发生激烈的坍缩和爆发，一部分物质抛射到宇宙空间成为星际气体，剩下的核心坍缩成为各种致密天体。

恒星的早期

恒星的早期，是由星际气体云聚集成星的阶段。

恒星由星际气体云形成的观念，在康德-拉普拉斯关于太阳系由星云形成的学说产生以后，就自然而然地出现了，因为太阳也是一个恒星。

恒星是否由星云形成，首先要弄清两个问题：第一，宇宙空间是否存在足够多的大质量的星际云；第二，星际云能不能收缩成为恒星，以及怎样收缩成为恒星。

这两个问题不难解决。首先，的确在宇宙空间到处充满着弥漫的星际物质，而且观测到大量的星际云存在。观测到的星云有亮星云和暗星云两种：亮星云是附近恒星照亮或者激发而发光的；附近没有亮星的星云就表现为暗星云。弥漫星云的质量一般是太阳的10倍左右。

另千方面，根据理论推算，星云的密度超过一定的限度，就要在引力作用下收缩。这个限度很重要，并不是所有的星云聚集成恒星，只有密度足够大的星云才会收缩成星。

星云像恒星一样，围绕银河系中心旋转。当它通过银河系时，旋臂中的激波使它受到强烈的压缩，密度增大，突破上面所说的这个极限，就发生引力收缩，于是，恒星的形成开始了。

收缩过程主要是引力作用。在引力作用下，星云体积变小，渐渐聚集成团，内部的压力和温度也相应地升高。

这一段时间中，引力占绝对优势，收缩很快，大约只要几百万年，所以叫做陕收缩阶段。

因为星际云的主要成分是氢，所以在星云开始收缩的，时候，表现为氢原子云；随着温度逐渐升高，氢原子开始电离，渐渐变成氢离子云；再进一步收缩，在引力作用下，星云的形状趋向于球状，这时，似星非星，似云非云；当温度升高到几百度时，开始发出红外线辐射；就是波长比红光长的电磁浓辐射，成为红外源。

事实上，在天空中的确观测到了氢原子云、氢离子云、球状体、缈，星，这正是由星云转化为星的快收缩阶段中的过渡天体。

再进一步收缩，红外星温度达到2000～3000度，内部.的压力增大，接近于和引力相抗衡，收缩就变慢了，于是开始了一个慢收缩阶段。

慢收缩初期，星体表面温度达到2000～3000度，辐射已经比较强，但是主要辐射仍在红外波段，在可见光区的辐射是暗弱的。

由于压力和引力接近平衡，内部又有强烈的对流，随着收缩，自转加快，磁场加强，因而星体处在复杂的矛盾中，发生各种强烈的变动。我们观测到的金牛座T型变星就是处于这种阶段韵天体，它的红外线很强，亮度呈不规则变化，而且往往和星云伴随在一起。

慢收缩后期，星体内心温度已经相当高了。当它达到80万度以上的时候，内部开始出现一些热核反应，成为引力能以外的另一种能源。不过这些反应不是循环性的，很快就反应完了，只能在短时期提供能量。

这一时期星体已经在赫罗图中出现。日本天文学家林忠四郎精辟研究了这一时期星体在赫罗图中的演化途径，所以也把这一阶段叫做林氏阶段。原恒星开始出现在赫罗图的右上方，在收缩中，有一段时间表面温度维持不变，由于体积缩小，亮度反而减暗，于是在图中由上向下行，后来内部温度增加到相当高，传到表面，表面温度升高，于是在赫罗图上开始向右拐。

像太阳这样的恒星，这一阶段大约需要几千万年。质量越大，收缩越快，比太阳大几十倍的星就只要几千年；如果质量只有太阳的几分之一，那就要经历10多亿年。不同质量的星在赫罗图上的路径也是不同的。

当内部温度升高到1000万度左右时，氢核聚变为氦核的反应就接连不断地发生，恒星的早期便宜告结束了，进入了一个新的阶段。

恒星的中期

恒星中心温度达到千万度级，氢核聚变反应开始，核反应成为主要能源，恒星演化就进入了一个新的时期，这个时期是一个相对平衡期。

由于核反应产生巨大的能量，恒星内部压力增高到足以和引力相抗衡，使恒星不再收缩，因此运动状态基本平衡。

恒星内部产生的巨大的能量，传递到表面，使表面温度升高，并且向外辐射很强的可见光，能量的产生和损耗也是平衡的。