2015年3月31日 星期二

「恆星演化嘅嘢,我識條鐵咩」之 1. 原恆星

老老實實,成日俾人問:「讀天體物理做乜嫁?」

初時真係唔知點答好…

「天體物理學家…」
「我夠知啦!」
「知你又問?」
「我係指你工作內容做啲咩呀!」
「研究囉…」
「咁研究啲咩?」
都叫得天體物理學家,仲會研究啲咩…唔通會研究人腦咩…
「基本上所有天體啦…我就主要研究超質黑洞同吸積盤…」
「研究到有咩用?」
有咩用呢個問題呢…其實就真係好難答。問得呢個問題,佢其實只係想知你有無或只係想諷刺你無梁振英式經濟貢獻(CY-nomic Contribution)。

其實,天文或者天體物理的研究,根本上和研究歷史、考古差不多。想知道我們現在住的星系、星球甚至宇宙以前是怎麼樣,往後會怎麼樣,我們就要知道整個宇宙是怎樣演化的。

怎樣知道呢?你想要知道一個人一生到底是怎麼樣,你不用自己經歷完一次。只要看看身邊不同年紀的人,大槪你都能拼湊出人的一生。

宇宙中充滿著不同年紀的恆星、星系、星雲等等。依樣畫葫蘆就可以瞭解宇宙的歷史。要以現有觀測到的天文現象和事件拼砌出一個完整的宇宙發展史,首要自然是先把恆星的一生推演出來,於是恆星演化就成為天體物理很重要的研究課題了。

整個恆星演化的過程主要涉及兩種力的比賽:重力熱膨脹力

重力,是物體之間的吸引力。只要有質量的物體,便會和其他有質量的物體間産生一個吸引力,如果無其他的力出現,兩個物體會越走越近。當然,大家都知道地球上所有物體都會展現這個力,但因為地球的質量太大,所以地球上所有物體感受到地球的引力大於感受到其他物體的引力。那麼如果地球的引力不存在的話,那重力的效果便會展現了。當然,有圖有真相,這個實驗是的確做過的:

影片中,國際太空站的太空人在一個塑膠袋內放了些鹽粒。大家看到如果沒有外力影響的話,鹽粒是傾向聚在一起的。這是一個比較不嚴謹,但簡單的證明了即使物體的質量很小,但之間的確存在引力的。



熱膨則係指熱力使物件中的粒子獲得額外的能量,粒子會開始加劇振動。於是,粒子和粒子之間的碰撞就會增加。為了緩衝這些撞擊,物體就會開始膨脹

所以,如果物體熱力太高,熱膨脹力比引力大的話,物體就會膨脹。例如引爆炸彈就是一個極端的熱力突然過大的過程。


反之,如果物體質量太大,引力比熱膨脹力大的話,物體就會收縮。

所以簡而言之,引力把物體拉在一起;熱力則把物體擴張。

有種情況,在特定的溫度下物體膨脹至一個特定的體積時,熱膨脹力和引力平衡了的話,物體本身就會維持穩定的狀態。不過,熱力是會不停流失的,要維持這個體積,就要在物體之中不停提供熱力。

宇宙之中亦存在很多粒子,這些粒子大部份是氫氣,少量氦氣和微量其他元素,我們稱之為星際物質。

如果這些星際物質之中,有一些位置物質分佈得密集一點點的話,裡面的粒子就會好像影片中的鹽粒一樣,開始聚集起來。這些聚合的地方,會變成一些不規則的地方,我們叫它做分子雲。



這些分子雲的密度分佈得不平均,當中一些密度更高的地方會因粒子繼續聚集再收縮,形成很多個小型球狀雲。這些密度高的地方,粒子和粒子因太擠逼而開始互相碰撞,碰撞間的磨擦和粒子移動的能量會產生熱,於是收縮過程暫緩。

因分子雲這時是透明的,熱力很容易就散失出去。當熱力不足,引力又贏了,分子雲又開始加速收縮,一旦收縮,碰撞又再增加,熱力又重新補上,收縮過程又再減慢,就這樣引力和熱力一直爭持著⋯



引力和熱力的鬥爭持續,但當溫度開始越來越高,分子雲中的粒子離子化(一個因高溫令原子“分拆的過程”,物質的特性會有改變。我會之後有機會時詳述。)了,就會變成一個不透明的氣體雲。熱力開始很難散發出去,於是溫度加速升高,升到約2、3千度的時候,因熱力很難走出去,引力和熱力達至一個平衝的時候,一顆恆星的原型就形成了。



我們稱這一個原生的恆星時期為原恆星。任何一處的星際物質密度夠高的話,就會形成原恆星。不過,原恆星並未算是一顆恆星,因為它缺少了一樣條件:它沒有核聚變的機制令自身發光。而自身發光就是恆星的基本條件。下圖是一個畫家依描述繪畫出來的原恆星。

畫家想像的原恆星


如果這個原恆星的質量夠高,就會繼續演化;否則,一旦原恆星中心的熱力開始散失,就會因為它沒有核聚變而只有一直散失熱力直到完全變成一個冰泠、不會發光的天體,我們叫它們做棕矮星(Brown Dwarf)。

宇宙中充滿著這些恆星的產房、育嬰所。其中一個最著名的,是位於巨蛇座(Serphens)M16 鷹星雲(Eagle Nebula)

M16 鷹星雲

細看之下,你可能會看到很多小光點,這些都是剛形成的恆星。另外,有沒有看到星雲幾個頂端都有光從裡面散發出來?天文學家相信這裡面有不少的原恆星正準備誕生成為真正的恆星。

當然,真正的恆星演化是要複雜一點的,上面列出的是比較有代表性的過程。

下一次,於這系列就會介紹原恆星演化之後是甚麼。

至於文首的那問題,我那時是答:「研究到我就可以即刻攞博士學位嚕~」



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