天体的起源和演化有它固有的客观规律,绝不是什么根本不存在的超自然的“神力”所创造出来的。古希腊哲学家赫拉克利特提出：“世界是包括一切的整体,它不是由任何神或被任何人创造的,它的过去、现在和将来都是按规律燃烧着的,按规律熄灭着的永恒的活火。”

宇宙万物都有一个发生、发展、消亡和转化的过程,恒星也不例外。恒星从星云中诞生直至消亡,短则万年,长则几百亿年,由此可见天体的演化是一个极其漫长而十分复杂的过程。在人的短暂一生之中,无法看到一颗恒星的全部生命演化过程。然而人们可以根据恒星不同的光谱型,确定其发展演化的过程,将它们的幼年期、壮年期、中年期和老年期加以序列化,从而就不难搞清楚恒星的起源、发展规律及其整个演化的历史。

根据观测资料和理论分析,一般认为,恒星是由弥漫星云收缩而形成的。温度低于100K,质量为太阳质量的105～106倍的星云容易凝集成恒星。对于恒星的演化过程,大致可以划分为以下四个阶段。

①恒星的幼年期(即引力收缩阶段)

宇宙空间中散布着密度极为稀薄的星际物质,密度约为10-24g/cm3。星际物质在密度较大之处可以成为引力中心,形成星际云。星际云在自身引力作用下进一步收缩,由于引力动能部分转化为热能,使内部温度升高,演化成恒星胚胎,最后逐渐形成向外辐射红外线的红外星。开始在快引力收缩阶段,可观测到球状体、红外源天体等原恒星;后来在慢引力收缩阶段,可观测到金牛座T型变星等原恒星。

引力收缩在恒星处于幼年期阶段起着决定作用,质量大的恒星演化快,质量小的恒星则演化较慢。15倍于太阳质量的恒星幼年期经历约6万年;1倍于太阳质量的恒星幼年期经历约7500万年;而五分之一于太阳质量的恒星幼年期经历达17亿年。恒星在幼年期的演化过程中,引力动能是其主要热源。

②恒星的壮年期(即主序星阶段)

幼年期红外星由于引力的收缩,使它的内部温度不断升高,当它的中心温度达到8×105K以上时,恒星内部开始产生热核反应,当中心温度再进一步升高到7×106K、1500亿个大气压时,热核反应所产生的热能和向外辐射消耗的热量,达到相对平衡状态,星体不再收缩,引力与斥力处于平衡,此阶段的恒星,在赫罗图(见附录)上的分布,是从左上角至右下角的主序星带内,原恒星进入了壮年期。对于那些质量大于太阳质量的2倍的主序星,核心氢氦聚变主要通过碳氮循环进行;质量小于太阳质量的2倍的主序星其核心氢氦以质子-质子反应为主。

恒星中氢的含量是最为丰富的。例如太阳能主要是由碳、氮循环(质子-质子反应)产生。而恒星的生命来自氢氦的缓慢的核嬗变过程。当恒星还年轻,刚刚从星际弥漫物质形成时,氢元素的比例超过了整个质量的50%。通过氢氦的嬗变过程可以在很长的时间内提供能量,而且恒星在此阶段停留的时间最长,约占恒星寿命的80%,并且这个阶段中恒星的数量也最多。其中,大质量高光度的O型星和B型星,对氢的消耗较快,在主序星阶段停留几百万至几千万年,我们的太阳在主序星阶段停留时间约为100亿年。而质量小、光度低的M,K型星在主序星阶段则停留时间更长,可以达到几千亿年甚至上万亿年。

③恒星的中年期(即红巨星阶段)

在这期间的恒星越往中心温度和密度越大,所以中心部分氢氦聚变反应进行得最快。当恒星的中心区域氢消耗到一定程度时,则热核反应逐渐减弱,其所产生的能量供应将不足。并且当恒星内部斥力和引力相对平衡及其稳定状态遭到破坏后,恒星内部又开始收缩。由于收缩释放出来的能量,使恒星外壳急剧膨胀,变成了体积大、密度小、表面温度低、光度仍然很强的红巨星。(www.daowen.com)

当恒星内部继续收缩、温度不断升高,并且其温度超过1亿摄氏度时,就会产生新的热核反应,由3个氦聚变为1个碳核,再产生巨大能量。恒星内部压力增高,斥力与引力再度相对平衡,于是恒星就稳定下来,度过它的中年期。我们赖以生存的太阳将来也会变成红巨星,到那时太阳的光度将增加1000倍,半径可达现在线半径的100倍,太阳将来在此阶段的经历估计10亿年左右。

④恒星的晚年期(即白矮星、中子星、黑洞阶段)

恒星进入红巨星阶段后,其内部仍不断地进行着剧烈的氦-碳反应,温度越来越高。当其内部温度达到60亿摄氏度时,会产生极强的辐射,向外放射出巨大的能量,质量大的恒星,大多数的外壳会发生爆炸,使其本身光度突然增高几万倍甚至几亿倍,形成明亮的新星或超新星。新星和超新星外层物质大量抛向宇宙空间,成为孕育新恒星的星际物质。恒星晚年期内部形成的重元素,通过爆发抛弃在宇宙空间,与其他星云混合又成为产生新一代恒星的原料。因此,第三代恒星中所含的重元素比例要高于第一代恒星。

如果恒星核能耗尽后,质量小于太阳质量的1.5倍,就有可能演化成为白矮星。由于恒星晚年期内部不产生能量,所以它抵挡不住引力的吸引而迅速收缩,这时恒星的光度低,表面温度高,呈蓝白色,故称为白矮星,它是一种稳定的冷的恒星。

中子星就是当恒星核能耗尽后,质量在1.5～2.0倍于太阳质量的恒星,由于简并电子压力仍不能和引力平衡,恒星将继续坍缩。当密度很大时,就会形成大量的中子,要使质子和电子合成中子,电子的能量需要大于80万电子伏特。然而,当密度超过1×108g/cm3时,相当大的一部分电子的能量,就会超过80万电子伏特。这样,只要密度足够大,质子和电子就会合成中子,在恒星内部形成一个中子核心。如果外层的普通物质落入,就会和中子结合而形成较重的原子核,同时释放出巨大的能量,产生新星或超新星爆发现象。如果整颗恒星从内部到外部密度都很大,就有可能全部或几乎全部由中子组成而成为中子星。中子星的质量大得惊人,它是每立方厘米有上亿吨重的超高密度的恒星。中子星的发现进一步证明了宇宙间物质存在的多样性。

从理论上分析,当恒星的核能耗尽后,其质量大于1.6倍于太阳质量的恒星就是黑洞。由于它的引力作用大,恒星晚年期爆炸后,内部物质更加急剧地坍缩,从而形成密度最大的坍缩星。由于其质量大,半径小,因而密度极高,在此星体周围存在着极其强大的引力场。这就是前面我们已经介绍过的黑洞。

由于人们发现的中子星半径很小,仅仅只有10km左右,而质量很大,它只是恒星变成黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到如此小的尺度,那么可以预料其他恒星也能坍缩到更小的尺度而变成黑洞。根据天体的演化来看,这也就是应该会出现的情况了。

关于太阳系的起源问题,至今人们还未研究出比较确定性的意见,可见要研究庞大的天体演化,是一件十分艰巨和困难的工作。当今世界,人类发射了许多个关于太阳系的探测器,开始对太阳系进行新的探索,发现的新问题比已经解决了的问题还要多。行星探测器从太空带回了大量的、丰富的信息,为人类研究太阳系的起源提供了许多新观点和新依据。

在太阳系起源问题中,有关行星物质的来源和行星的形成方式,被人们认为是两个最基本的问题。1972年,在法国举行的国际太阳系起源学术讨论会上,总结了自康德-拉普拉斯星云说以来的200多年中人们提出的40多种学说。其中新星云说被专家们认为是一个较好的学说。因为此学说除了能够较好地解释行星、卫星的形成以外,还能够比较满意地解释行星运动的同向性、共面性和近圆性。当然,作为一种学术研究的假说,新星云说还有待进一步地去细化、完善。理论必须要与实际观测相符合,才能令人信服。因此,对于太阳系的起源问题的研究和发展,至今仍然是天文学家力图解决的难题。