《天文基礎知識》第一章：太陽系與系內行星

第二節 了解太陽

三、太陽系結構

在宇宙中，由兩顆或兩顆以上星體所形成的繞轉運動組合體叫做星系，通常情況是眾多質量小的星體繞質量大的中心星體轉動，這種星系叫做中心式星系，太陽系就屬于中心式星系。太陽作為太陽系中心，質量占整個太陽系的99.85%，在質量上占絕對優勢，太陽系中眾多行星和彗星等其他天體繞太陽轉動，和太陽一起構成一個穩定的中心式星系。

人類對太陽系結構的探索，是對宇宙探索的開端，也是最重要的一部分，更是人因獨有的智力而區分于其他動物的標志。早在古代，人們把相對天球固定不動的星體稱作恒星，把隨著時間位置在天球上不斷變化的星體（如金星），被稱作為行星。中國古書中記載著關于地球運動的樸素唯物論和辯證法的觀點，將地球和宇宙中其它星體的位置描述為“九層天”的形態。在公園前四世紀，古希臘學者亞里士多德認為地球是圓的，而且位于宇宙的中心不動（地心說）。波蘭天文學家哥白尼總結前人的材料，推測出太陽才是宇宙的中心（日心說）。十七世紀初，科學家伽利略利用小型望遠鏡觀測到了木星的衛星。在近代，前蘇聯發射了第一顆人造衛星，將人類的科學產物帶到了太空當中，跨出了人類通往太空的第一步。人類對太陽系結構的探索開始于很久很久之前，且從未停止過。

太陽系是由太陽、八大行星及其衛星、小行星、彗星、流星體和行星際物質構成的天體系統。太陽是太陽系的中心天體，占總質量的99.86%，靠熱核反應發光發熱，向整個太陽系供能；八大行星在太陽的引力作用下繞其公轉。記得我小時候，大人都說太陽系中有“九大行星”，其實那個時候確實是九大行星，按與太陽的距離由近到遠排列依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星，但是由于冥王星位于太陽系外圍的柯伊伯帶，天文學家發現柯伊伯帶有更多圍繞太陽運行，且質量，體積等各項數值都比冥王星大的天體，所以在2006年8月24日下午，在第26屆國際天文聯會通過第5號決議，由天文學家以投票正式將冥王星劃為“矮行星 ”，從“行星”之列中除名，于是“九大行星”變成了“八大行星”了。太陽系內還存在為數眾多的小質量天體，主要集中在火星和木星的軌道之間的小行星帶中。此外，太陽系內還有多得難以計數的流星體，有些流星體成群分布，稱流星群。

太陽系八大行星的公轉軌道幾乎在一個平面上，這個平面叫“黃道平面”；而彗星和柯伊伯帶天體的運行軌道通常都有比較明顯的傾斜角度。地球的自轉軸與黃道平面也并不是垂直的，二者成23.5°的夾角；正因為這個夾角的存在，太陽直射點在地球那北回歸線之間移動，地球上才出現了四季的變換。

在太陽引力的作用下，各個星球繞太陽公轉的星球軌道形狀為：近圓形、橢圓形、拋物線形和雙曲線形。在太陽系中，水星、金星、地球、火星，它們的繞太陽公轉軌道形狀為近圓形；而外圍的木星、土星、天王星、海王星公轉軌道為橢圓形；太陽系的彗星公轉軌道為橢圓形、拋物線形和雙曲線形。

四、太陽（恒星）起源與演化

關于恒星的起源與演化，這是一個很復雜的過程，以下表述只是一個概括。

首先人們最早探索這個問題是從能源角度入手的，就是思考到底是什么能源能讓恒星一直發光發熱呢？人們通過一步步假設論證恒星起源問題,以太陽為例，假設太陽的質量全是煤炭的話，并且在維持現在的光度（輻射功率）的情況下估算得出這個能源只能燒5000年 ，顯然這個結論是錯誤的。等到19世紀開爾文和亥姆霍茲提出一個理論：恒星是通過引力收縮，然后使引力勢能轉化為內能從而轉化為輻射能，而向外輻射能量，通過這種理論計算太陽質量可以維持3000萬年左右，這個時間在當時看來已經很長了，但是在后來人們通過放射性年代法測量出地球年齡肯定不止3000萬年，所以這種理論也不對。后來就是愛因斯坦提出了質能方程E=mc^2,如果太陽質量全部被轉化為能量再維持現在的光度，可以持續幾十萬億年（并不是全部質量都轉化為能量，只需要小部分就足夠了），目前計算得到的太陽壽命可以持續100億年。

在探究完質量來源問題之后，人們便開始考慮恒星的演化問題了，首先要知道的是恒星不會是平白無故冒出來的，目前已經通過大量觀測證實了恒星最初的形式是彌散星云，所謂彌散星云是指宇宙中的一些氣體還有少量塵埃，主要由氫和少量的氦，星云的直徑可以達到上百光年，起初由于萬有引力的作用，在達到金斯不穩定性判據后一些星云開始坍縮形成原恒星，原恒星就是恒星生命的開始。

下面假設星云成功形成了一片原恒星，一般原恒星的質量在0.08個太陽質量到100個太陽質量之間，原恒星同樣發光發熱，但是這部分能量是又赫姆霍茲和開爾文所說的理論即引力勢能轉化為輻射能，但是隨著引力的收縮原恒星內部的壓力也會越來越大，而變得不透明，所以輻射只能由表面釋放出去，而內部的輻射就被內部氣體所吸收，當引力與氣體壓力相等時，收縮也就停止了，內部溫度也持續在升高，當內部溫度達到800萬開時，核心的氫核聚變就開始了，此時主要的反應就是氫聚變為氦。聚變反應的開始標志著恒星進入了主星序行列，恒星的壯年期也正式開始了。而對于原恒星質量小于0.08個太陽質量的恒星，由于其內核的溫度到不了800萬開無法進行氫核聚變，無法進入主序列，這樣的恒星稱為褐矮星。

對于進入主序帶的恒星，其在主序帶的時間取決于其內部中心區域的氫全部聚變為氦所用時間，質量越大燃燒越快，停留時間越短；反之，停留時間越長。當恒星的氫燃燒完之后也就進入了恒星的晚年。

下表所示是各種質量恒星最終演化結果：

對于質量在0.08到0.5個太陽質量的恒星，其氦核收縮后仍然達不到一億K，不能進行氦的聚變，最終只能形成一顆氦白矮星。

對恒星的晚年階段，質量在0.5到2.3個太陽質量之間的恒星，即包括太陽的晚年，此時其核心全部變為氦，開始脫離主序帶，因為氫全部聚變為氦，原子數目減少，由理想氣體狀態方程PV=NRT可知，其內部氣體壓強減少而不足以對抗外層的引力，所以核心就會收縮，引力勢能再次轉化為輻射能，內部溫度又開始升高，這部分溫度會先點燃氦核心外部的一層氫即殼層的氫，氫燃燒需要輻射能量，核心收縮也要輻射能量，所以此時恒星外層就會開始膨脹降溫，此時恒星亮度將會增加，形成一顆亞巨星，隨著核收縮將勢能轉化的輻射能的增加，外層進行膨脹，恒星大小迅速增加，通常直徑會變為原來的10到100倍，其溫度也迅速降低，并且恒星變紅，成為一顆紅巨星，注意此時核心溫度還沒到氦的聚變溫度，氦并沒有燃燒，恒星變亮是因為核心溫度的升高外層的氫燃燒的更劇烈了，所以紅巨星很大很亮。接下來隨著核心溫度的進一步升高，核心的氦會發生兩個變化：1、在物理構造上核心的氦會進入電子簡并態； 2、當核心溫度高達1億開時核心的氦開始聚變燃燒變為碳和氧。對于電子簡并態來說，其壓力和溫度是沒有關系的，當核心氦聚變開始后，核心的溫度進一步升高，但是由于其電子簡并態，其體積不變，相應的氦聚變反應也越來越迅速，核心的氦會以一種接近爆炸式的方式燃燒，這個過程就叫做氦閃。對于這個過程來說，它雖然很像一下子就能釋放出大量能量或者迅速膨脹而毀掉太陽系的一切，但是實際上，氦閃我們幾乎觀察不到，只能在理論上模擬。原因是：1、氦閃這個過程確實會釋放大量的能量，但是持續時間極短；2、簡并態也是可以解除的，隨著內部溫度的升高核心會迅速的解除簡并態，一旦簡并態解除，核心便會迅速膨脹并且吸收大量的能量，幾乎可以將氦閃釋放的能量完全吸收，而此時核心的氦聚變完成后，核心就變為了碳和氧，粒子數量再次減少，核心又開始收縮，核心溫度又開始升高，再次點燃殼層的氫，隨著氫的聚變逐漸又會包裹一層氦，當核心再次達到簡并態時，外層的氦也開始燃燒，此時是氫也在燃燒，氦也在燃燒，恒星進入雙殼層燃燒階段，外部開始迅速膨脹，膨脹到比紅巨星還大，變為一顆紅超巨星，由于體積過大，外層物資已經不受控制，相當于外層被拋射了出去，而形成了一片行星狀星云，而恒星的碳氧內核也就成了一顆獨立的碳氧白矮星，達到恒星一生的終點。

對于質量在2.3到8的太陽的質量大體演變與上述差不多，但是由于質量更大，其演變速度會更快，并且其在核心的氫燃燒完后溫度會迅速上升到1億開，氦會直接開始聚變，而沒有氦閃過程。

對于恒星質量大于8個太陽質量時，其碳氧核溫度更高達到30億開，開始碳氧的聚變，生成鈉、鎂、硅等元素最后到鐵，最后生成一個鐵的中心核，當溫度達到50億開時，鐵核會在高能光子（伽馬射線）的作用下進行光致分解變為更小的粒子，此過程會吸收大量能量使內核快速坍縮，這個壓力甚至連電子簡并態也支撐不住而使電子被壓入原子核中，質子和電子形成中子并且釋放中微子，這個中微子由于吸收了極大的能量便將鐵外殼擊穿形成了超新星爆炸，之后這個壓力將又這個鐵中子核承受，形成一個鐵中子星，但是當恒星的質量大于30個太陽質量時，連中子簡并壓都無法承受這個壓力了，便會進一步坍縮，于是形成了黑洞。

來源: 玩摩托的天文佬