恒星是一种什么样的天体,它的一般物理化学特征是什么?
特性
几乎一颗恒星的一切都取决于它的初始质量,包括它的本质特征,如光度和大小,以及它的演化、寿命和最终命运。
年龄
大多数恒星的年龄在654.38+0亿岁到654.38+0亿岁之间,有些恒星甚至接近宇宙的观测年龄——654.38+0.37亿岁。目前发现的最古老的恒星是何1523-0901,其估计年龄为132亿岁。恒星质量越大,寿命越短,主要是因为恒星质量越大,其核心的压力越高,导致氢气燃烧越快。许多大质量恒星的平均寿命只有一百万年,但最轻的恒星(红矮星)燃烧燃料的速度非常慢,寿命至少有一万亿年。
化学成分
从质量上来说,恒星形成的比例大约是70%的氢和28%的氦,还有少量的其他重元素。因为铁是一种很常见的元素,而且谱线很容易测量,所以典型的重元素测量是基于恒星大气中的铁含量。因为分子云中的重元素丰度是稳定的,只会通过超新星爆发增加,所以测量恒星的化学成分可以推断其年龄。重元素的组成也可能表明是否存在行星系统。矮星HE1327-2326在已测量的恒星中含铁量最低,铁的比例只有太阳的千分之一。相比之下,狮子座μ的金属含量更高,其铁丰度是太阳的两倍,而另一颗行星——大力神14的铁丰度几乎是太阳的三倍。还有一些化学元素不同的特殊恒星,它们的谱线中有一些元素的吸收线,特别是铬和稀土元素。
直径
由于距离地球较远,除了太阳之外的所有星星对肉眼来说都只是夜空中的一个光点,在大气的影响下闪烁不定。太阳也是一颗恒星,但由于它离地球非常近,所以它不仅看起来像一个圆盘,而且还提供白天的光线。除了太阳,似乎最大的恒星是R,直径为0.057弧秒的恒星。我们关于恒星的大部分知识都来自于理论模型和模拟,而这些理论都只是基于对恒星光谱和直径的测量。除了太阳,第一颗被测量直径的恒星是参宿四,是阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊在1921年利用威尔逊山天文台的胡克望远镜(约450个太阳直径)完成的。对于地面望远镜来说,大部分恒星都太小,无法探测到它们的角直径,因此需要使用干涉仪望远镜来获取这些恒星的图像。另一种测量恒星角直径的技术是掩星:这种技术精确测量了恒星被月球遮挡时的光衰减(或光恢复的再现)过程,进而可以计算出恒星的视直径。恒星的大小,从只有20公里到40公里的中子星到像猎户座参宿四这样的超巨星,都是太阳直径的650倍,约9亿公里,但密度比太阳低得多。
动能
恒星相对于太阳的运动可以提供恒星年龄和起源的有用信息,还包括周围星系的结构和演化。恒星运动的分量包括径向速度是靠近还是远离太阳,以及横过天空的角动量,这就是所谓的自运动。径向速度是用恒星光谱中的多普勒频移来测量的,单位是千米/秒,恒星的自运动是通过精密天体测量来确认的,单位是百万分之一角秒(mas)/年。通过测量恒星的视差,可以转换成实际的速度单位。恒星的自发速度越高,离太阳越近,这使得自发速度高的恒星成为视差测量的理想候选。一旦这两种运动都被测量出来,就可以计算出恒星相对于太阳系的空间速度。在邻近的恒星中,已经发现第一个星群的恒星速度通常低于第二个星群的老星群,它们在一个倾斜于平面的椭圆轨道上运行。比较邻近恒星的动能,还可以推导和证明恒星联合体的结构,这就好比一群恒星起源于同一个巨大的分子云,向同一点运动。
磁场
恒星的磁场来源于恒星内部对流循环开始产生的区域。具有导电性的等离子体发生器产生在恒星中延伸的磁场。磁场的强度随着恒星的质量和成分而变化,表面磁活动的总量取决于恒星的自转速度。地表的活动会产生星点,星点是地表磁场比正常强,温度比正常低的区域。拱形冕环是从活动磁场进入日冕的晕,星焰是同一磁场活动发出的高能粒子爆炸现象。由于磁场的活动,年轻、高速旋转的恒星往往具有较高的表面活性。磁场也会加强恒星的风,但是自转的速率就像一个闸门,随着恒星的老化逐渐变慢。因此,像太阳这样的老恒星,自转速率低,表面活动温和。自转较慢的恒星的活跃程度往往是周期性变化的,在周期中可能会暂时停止。以蒙德极小值为例。太阳在大约70年的时间里几乎没有黑子活动。
质量
船底座η是已知质量最大的恒星之一,约为太阳的100–150倍,因此寿命很短,最多只有几百万年。根据对拱星团的研究,认为现在的宇宙中应该存在质量为太阳150倍的大质量恒星,但在实践中并没有发现。虽然这个极限的原因尚不清楚,但爱丁顿光度给出了部分答案,因为它定义了恒星在不被抛出外层大气的情况下可以发射到太空中的最大光度。大爆炸后诞生的第一批恒星,质量一定很大,可能是太阳的300倍甚至更多。因为它们的成分中没有比锂更重的元素,这一代超大质量恒星应该已经灭绝了,第三恒星家族目前只存在于理论上。Sabina AB A的伴星Sabina AB C的质量只有木星的93倍,是已知质量最小的恒星,但其核心仍然可以进行核聚变。理论上,金属量与太阳相近但仍能进行核聚变反应的恒星的最小估计质量约为木星的75倍。当金属量很低时,根据目前对最暗恒星的研究,似乎最小的恒星只有太阳质量的8.3%或木星质量的87倍。最小的恒星是介于恒星和气体巨星之间的灰色区域,褐矮星没有明确的定义。结合恒星的半径和质量,就可以确定恒星的表面引力。巨星的表面引力比主序星低得多,但比退化状态,如白矮星的引力更强大。表面重力也会影响恒星的光谱,重力越高,吸收线变宽越明显。2010年,英国谢菲尔德大学的科学家发现了迄今为止质量最大的恒星。在其形成初期,其质量可能达到太阳的320倍,亮度接近太阳的10万倍,表面温度超过40000摄氏度[1]。
辐状的
恒星的自转可以用分光镜粗略测量,也可以通过跟踪星点精确测量。年轻的恒星会有很高的自转速度,在赤道可以超过100 km/s。比如B型水委的赤道速度高达225 km/s甚至一自转就更高,使得赤道半径比极地赤道大50%。这个速度只比300 km/s的临界速度低一点点,就让水委分裂了。相比之下,太阳自转一周的周期为25 -35天,在赤道的自转速度仅为1.994 km/s,恒星的磁场和风对恒星在主序带上的慢自转速率的演化有重要影响。退化恒星压缩成非常致密的物质,同时引起高速旋转。但与它们在低自转速度状态下相比,由于角动量守恒,一个旋转的物体会通过提高自转速率来弥补尺寸的减小,大部分耗散的角动量被恒星上向外吹的风带走。无论如何,脉冲的旋转是非常快的,例如在蟹状星云核心的脉冲中,旋转速率是每秒30转。辐射发射会减慢波爆发的旋转速度。
温度
主序区恒星的表面温度取决于核心能量产生的速率和恒星的半径,可以用颜色指数来估算。通常被认为是有效温度,即当表面辐射的能量使单位表面积具有相同的光度时,理想化黑体所对应的温度。但需要注意的是,有效温度只是一个代表值,因为实际上恒星的温度是有一个梯度的,这个梯度随着从核心表面到表面距离的增加而降低,核心区域的温度通常是几百万度k,恒星的温度可以决定不同元素电离或激活的比例,结果显示出光谱吸收线的特征。恒星的表面温度、目视绝对星等和吸收特性被用作恒星分类的依据。大质量主序星的表面温度可以高达50000K,而像太阳这样较小的恒星的表面温度只有几千度。相对而言,红巨星的表面只有3600K的低温,但由于表面积巨大,亮度很高。