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恆星的一生

恆星的一生. 國立自然科學博物館 陳輝樺 博士. 一閃 一閃 亮晶晶 ， 滿天都是 小星星. 令人好奇你們怎會在那裡呢？ ... . 觀看它們有什麼特徵呢？ ● 不 同 的 顏 色 顯示出 不同 的 表面溫度。 顏色 的 不同 會不會呈現它們是 不同 的 年齡？ ● 較 熱 的恆星 演化速率 較 快 ● 不同 的 演化速率 ， 怎樣 推算 它們的 年齡 ？. 恆星的孕育搖藍 ： 星際雲氣團. 恆星 誕生在何處 ？. 太空中充滿著造星的原料 。 如 M16 雲氣中正孕育著雛恆星。. (動畫解說). 但不像如此的榖類穂物。.

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恆星的一生

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Presentation Transcript

  1. 恆星的一生 國立自然科學博物館 陳輝樺 博士

  2. 一閃 一閃 亮晶晶 ，滿天都是小星星...

  3. 令人好奇你們怎會在那裡呢？ ... • 觀看它們有什麼特徵呢？ • ● 不同的顏色 • 顯示出不同的表面溫度。 • 顏色的不同會不會呈現它們是不同的年齡？ • ● 較熱的恆星演化速率較快 • ● 不同的演化速率，怎樣推算它們的年齡？

  4. 恆星的孕育搖藍：星際雲氣團 恆星誕生在何處？ 太空中充滿著造星的原料。如M16 雲氣中正孕育著雛恆星。 (動畫解說)

  5. 但不像如此的榖類穂物。 恆星來自於星際雲氣 星際雲氣中提供形成恆星所需要的塵埃和氣體。 更恰當地說，應該是含有少量碳和矽成分的塵埃。

  6. 原恆星的收縮 • 星際雲氣是怎樣演變成恆星的？ • 恆星開始慢慢地在雲氣中積聚塵埃和氣體 • ● 萬有引力 (重力，Gravitation) 作用凝聚成群互 相聚集的物質。 • 重力的收縮使得溫度和壓力逐漸地增加。

  7. 核融合反應！ • 當恆星的核心溫度達到攝氏 1500 萬度，則會點燃了核融合的反應。 • 4 (1H) --> 4He + 2 e+ + 2 個微中子 + 能量 • 能量是哪裡來的？ • 四個1H的質量>一個4He的質量 質能互換式E = mc2

  8. 能量估計 • 4 (1H) --> 4He + 2 e+ + 2個微中子 +能量 • 釋放出的能量 = 25 MeV • = 4 x 10 -12焦耳 • = 1 x 10 -15卡 • 但太陽每秒鐘約進行如此的反應1038次？ • 耗費掉1056個H原子!

  9. 力的平衡作用 • 核融合產生如此大的能量會不會使恆星‧‧？ • 核融合所產生的能量適用於抗拒向內壓的重力 終其恆星的一生，如此力的平衡狀況決定著恆星在其生命的各個階段。

  10. 新恆星誕生的不寧靜！ 恆星誕生的宣告儀式！ 從一個新雙核恆星系統內部噴出的氣體噴流

  11. 新恆星誕生的兩極噴流！ 恆星誕生的宣告儀式！ 散佈在星際間混亂的雲氣，受到重力的吸引聚集，形成中央凸起的旋轉盤面，經激烈的震盪下盤面中央密集區域點燃了核融合，一顆新的恒星就此誕生。在此過程，會呈現恆星兩極噴流的現象。而恆星旋轉盤面上呈甜甜圈狀的塊狀物質，它們是未來行星的素材。

  12. 各種類型恆星大匯集 • 複習一下 ── • 恆星有著不同的顏色之分 • 顯示出不同的表面溫度 • ● 較熱的恆星演化速率較快

  13. 赫羅圖H-R diagram：恆星的類型 絕大多數的恆星分布在主序帶上；在主序帶右上方呈現了許多外觀巨大的星體 (巨星)；在主序帶左下方呈現的都是矮星。 Oh! Be aFine Girl - Kiss Me !

  14. 反覆:循環的生命 質量或溫度不同的恆星， 會有什麼不同的演化模式？ 恆星壽命的長短主要決定於恆星質量的多寡，質量愈大者壽命愈短。例如太陽這顆小號的恆星，大約有100 億年的壽命，它的結局是顆「矮星」。質量大於太陽 5 倍的中型恆星，至多有 10 億年的壽命，它的死亡過程是經歷一次的「超新星爆發」，而以「中子星」終其一生。質量大於太陽 8 倍以上的重型恆星，可能僅有數百萬年的壽命，然後會在一次的「伽瑪射線暴發」中瞬間地塌陷成「黑洞」。 (重型恆星) (太陽般大小的恆星)

  15. 矮星Drarfs：太陽般大小的恆星演化史 ( 動 畫 解 說)

  16. 你所認識的紅巨星 Red Giant

  17. 死亡的徵兆：紅巨星 • 氦融合造成氫的耗竭，使得恆星核心... • 核融合所產生的能量適用於抗拒向內壓的重力。 • 核心的塌縮 • 塌縮的動能轉換成熱能。 • 這熱能使得外層的氣體膨脹。 • 瞬間，核塌縮； • 溫度和壓力驟增...

  18. 更大量的核融合反應！ • 約在攝氏一億度的氦融合Helium fuses: • 3 (4He) --> 12C + 能量 • (每次反應的中間過程裡僅產生 7.3 MeV的能量) • 所產生的能量支撐著紅巨星外層的氣體向外膨脹。

  19. 太陽般大小的恆星終結類型 氦融合造成氫的耗竭，使得恆星外層氣體外逸 行星狀星雲 Planetary Nebulae

  20. 白矮星 White Drarfs • 在行星狀星雲Planetary Nebula的核心存在著一顆白矮星White Dwarf. • 地球的大小卻有著太陽的質量。 • “一湯匙就有上噸的質量” • (密度每立方公分可達 106 至107 公克之間) • ● 向內的重力平衡著向外的電子推力。 • ● 上圖圈示都是逐漸冷卻中的白矮星，因冷卻喪失亮度將成黑矮星。

  21. 大質量恆星的宿命 • 氦融合造成了氫的耗竭，使得恆星核再度塌縮，直到有足夠的溫度使碳Carbon可以融合成鎂 Magnesium或氧 Oxygen。 • 12C + 12C --> 24Mg 或12C + 4H --> 16O • 經過如此的核融合過程，較重元素成功地陸續生成。

  22. 輕 元 素 重 元 素 4 (1H) 4He + energy C-N-O Cycle 3(4He) 12C + energy 4He + 16O 20Ne + energy 16O + 16O 32S + energy 28Si + 7(4He) 56Ni + energy 56Fe 4He + 12C 16O + energy 12C + 12C 24Mg + energy 週期表

  23. 重型恆星的終結路徑 • 重型恆星內部的融合反應成功地造就生成眾多的元素。 • 鐵是極為穩定的元素，不會繼續進一步地融合出較高的元素。 • 它不再釋出能量，而代之的是吸收能量。

  24. 超新星爆發！Supernova！ 重型恆星的死亡宣告！ 恆星的最後一場精采演出秀？

  25. 證物長存：超新星爆發殘留物SN1987A • a) 可見光– 2000年2月解釋著數千前年前超新星爆發所噴出來的物質 • b) 無線電波 - 1999年9月 • c) X 射線- 1999年10月 • d) X 射線- 2000年1月 • 超新星爆發的「激波shock wave」加熱了雲氣 a b c d (影片)

  26. 超新星爆發殘留物: Cas A 可見光 X 射線

  27. 來自超新星爆發所產生的新元素 X光觀測到的能量 矽 鈣 鐵

  28. 超新星爆發後留下了什麼後果？ • 中子星Neutron Stars • (若原本恆星核的質量< 5 倍個太陽質量) • ● 在重力的劇烈塌縮過程，絕大多數的質子和電子結合成中子。 • ● 半徑不會超過10 公里。 • ● 密度每立方公分可達 1014 至1016 公克之間。 • ● 總質量約為 0.5 至 3 個太陽的質量。 • ● 強大的磁場約為1012 至1014高斯， • ● 快速的旋轉周期約為10 - 6 秒至數秒之間。 • 黑洞Black Holes • (若原本恆星核的質量 > 5 倍個太陽質量) • ● 密緻的中子也無法支撐得住重型恆星重力塌縮的結果。 • ● 是個連光都無法穿透的區域。

  29. 一個全新的生命: X 射線觀測到的雙星 在彼此極為靠近的雙星系統裡，物質會從外觀看似正常的星球流向質量密緻的中子星或黑洞。在這些加速流向中子星或黑洞的氣體盤面會輻射出 X 射線。

  30. 中子星的發現 1967 年，電波天文學家約塞琳‧貝爾(Jocelyn Bell) 又發現天空有奇怪的星體，它們不像其他已知的星球會持續發光，而是每隔數分之一秒至數秒間就會發射一串規律的無線電波脈衝；這些奇怪的星體即為今日所知的『脈衝星』，它們是旋轉相當快速的老化垂死星球 (中子星)，從它們磁場兩極附近發射出無線電波束，就像燈塔般發出的光束一樣橫掃太空。若地球正巧位於被掃過的帶上，就會觀測到這顆脈衝星。 (中子星的旋轉與 兩極噴流示意圖 )

  31. 中子星的兩極噴流現象 一顆質量中型的恆星，在經歷一次「超新星爆發」的死亡過程後，形成直徑約在 7 至20 公里之間的「中子星」。中子星主要組成是中子與電子，它的密度每立方公分可達 1014 至1016 公克之間，總質量約為 0.5 至 3 個太陽的質量，強大的磁場約為1012 至1014高斯，快速的旋轉周期約為10-6 秒至數秒之間。中子星磁場兩極有向外太空進行電磁波輻射和大量的物質噴流現象。 (M1核心的中子星旋轉與噴流實景圖)

  32. 難以計數肉眼看不到的觀測目標 星雲是由塵埃與氣體組成的巨大雲氣團，新的星球便是誕生於其中，超新星爆發又造就出另一團星雲，而矮星、中子星、或是黑洞正躲於當中。星雲因閃耀著明亮的顏色而成為宇宙中最美妙的事物之一。但它的微光卻遮掩了內部新生成的星球，或是矮星、中子星、黑洞在其中的作為。利用紅外光望遠鏡可看到星雲內部的狀況寫真。 (動畫解說星雲中的奧秘)

  33. 黑洞的兩極噴流現象 1997年，天文學家發現了 M87星系核心有黑洞噴流的現象。接著發現許多星系的核心，因著強大重力場而形成光都無法逃脫的黑洞區域。隨著黑洞的旋轉不但造成了時空的拖曳現象，也呈現黑洞磁場兩極的噴流景觀。 (黑洞的時空拖曳和兩極噴流現象示意圖)

  34. 星系核心的黑洞吸積盤的現象 (動畫解說星系核心黑洞吸附鄰近物質的奧秘)

  35. 黑洞的併吞現象 (動畫解說兩個星系互相靠近核心形成黑洞併吞的奧秘)

  36. 視界Event Horizon 吸積盤Accretion Disk 兩極噴流 Jets 奇異點Singularity (近核心的深處) 黑洞 Black Holes – 上視圖

  37. 太陽系Solar System–行星系統形成模擬 太陽 和 行星們是如何誕生的？ (動畫解說)

  38. 太陽的一生簡史 (動畫預演太陽的一生簡史) (螞蟻星雲的景象正是預演著太陽晚年爆發的情景)

  39. 超新星爆發與星際物質的作用：生死交替 超新星爆發不但擠壓了星際之間的氣體和塵埃，也豐富了鄰近的雲氣團。 這些受擠壓的雲氣開始了收縮將會形成一些新的恆星。

  40. 新發現超重恆星的結局 英仙座 距離我們 2.4 億光年,NGC 1260旁一顆約140-260 M⊙超新星SN2006gy核心以γ-ray 產生物質-反物質對(如e-e+對)爆發散開而瞬間產生500億倍L⊙(約10倍銀河系亮度)

  41. 再重新來走一趟 ... 代代相傳？

  42. 新瞭解的恆星演化路徑

  43. 意猶未盡，還有呢？ • 若仍有疑問或興趣，請參閱 • http://aeea.nmns.edu.tw/ • 天文教育資訊網 查看

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