紅巨星巨星的一種,是質量約為0.5至8個太陽質量恆星演化的後期階段。恆星質量不同,壽命不同,可從數億年至百億年不等,而在紅巨星階段僅數百萬年。

紅巨星和太陽的比較

質量更大的稱為紅超巨星,再大的為紅特超巨星

分類特徵

赫羅圖上,紅巨星是巨大的非主序星光譜屬於K或M型。所以被稱為紅巨星是因為看起來的顏色是紅的,體積又很巨大的緣故。鯨魚座蒭藁增二金牛座畢宿五牧夫座大角星等都是紅巨星;而天蠍座心宿二獵戶座參宿四、盾牌座的盾牌座UY等則是紅超巨星。

大部分的紅巨星,其核心是未核融合的,能量由氦核外的氫燃燒包層提供,它們在圖上構成了紅巨星分支(RGB星)。另外一些,其核心是碳等更重的元素,外部是在燃燒的氦包層和包層,它們構成了圖上水平的漸近巨星分支(AGB星)。在恆星大氣中碳含量比氧含量還高的碳星中,AGB星的光譜類型一般屬於C-N到C-R型。

演化

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哈勃於1997年拍攝的紅巨星蒭藁增二。
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膨脹過程

當恆星發展到核心的枯竭,聚變反應強度不足以抵抗重力時,就會重力的驅使下收縮,使得外部的物質擠入空出來的空間,形成氫氣層——這些氫仍然可以聚變。這時它可能經歷赫氏空隙

同時,先前聚變產生的核被重力加熱,氫氣層收縮,氫的聚變加速,產生更多的能量,導致恆星比原來亮1,000~10,000倍,並且使體積膨脹。這時體積膨脹的程度超過發光能力的增加,因此表面的有效溫度下降。表面溫度的下降使得恆星的顏色傾向紅色,因此稱為紅巨星。當恆星的核心持續收縮到足以點燃3氦過程的密度和溫度條件,氦聚變就會啟動。

質量小於2.5倍太陽的恆星的氦核用電子簡併壓力對抗重力直至成為類似「白矮星」的簡併態物質。氦聚變的點燃溫度~1億度,氦聚變的能量堵塞在簡併態,觸發了熱失控氦閃:大約在1分鐘內,氦核的大部分都聚變為碳核(以及後續的氧核),並向外層傳輸出巨量的能量,導致恆星突然變亮了一會。氦閃後,核心不再產生能量,外層的氫在較淺的位置上以較複雜的方式繼續聚變成氦。恆星核心再次緩慢積聚氦,較長的一段時間後,氦閃又在富含碳核氧核外的氦包層中發生。這時恆星就位於赫羅圖上的漸近巨星分支,每次氦閃後,從一個紅巨星分支進入另一個分支。[1][2][3]

大於太陽質量2.57倍的恆星的核心更熱,在成為白矮星密度的簡併態前就點燃了氦聚變,平順與持續地反應。當這類恆星初始的重元素含量較低(「貧金屬」星)時,它們將進入水平分支——這些恆星在赫羅圖上的位置是水平的分佈。富含金屬的恆星在這個階段則群聚成赫羅圖上的紅群聚[4]

理論上,恆星光譜從A至K和部分較低質量的B型主序星會演化成為紅巨星。較高質量的B型主序星與O型主序星會演化成為紅超巨星。再高質量的恆星會演化成為藍超巨星高光度藍變星沃夫–瑞葉星

不經歷紅巨星階段的恆星

紅矮星(<0.5個太陽質量)只有對流層,恆星處於完全對流狀態[5],恆星的元素豐度基本各處相同。由於核心的溫度本來就不是很高,而且質量太小,整個恆星無需過於收縮以頂住重力。所以這些恆星既使到了晚期氫豐度不是很高的情況下,也不能通過收縮讓累積在核心的氦達到核聚變的溫度,既使用盡了氫也不能成為紅巨星。[6]由於它們的主序星階段生命遠遠長於我們宇宙的年齡,這類恆星的演化僅是理論上的,並無觀測實例。

O、B型星(25個太陽質量以上)在主序星階段位於赫羅圖的左上角頂端,是藍巨星甚至藍超巨星,一直在赫羅圖的最上方水平移動,氦聚變開始後可能成為高光度藍變星沃爾夫-拉葉星,以Ⅱ型或Ⅰb、Ⅰc型超新星爆發結束其短暫的生命。

紅巨星的太陽

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比較當前作為主序星的太陽和將來成為紅巨星的太陽。

大約在50到75億年後,太陽將成為紅巨星[7],屆時太陽將變得異常巨大。它的直徑會是現在的256倍,足以吞噬掉目前太陽系裏包括地球以內的內側行星[8][9][10]然而,太陽的重力也會因為質量的減少而減弱,因此火星和所有的外行星都會往外移。在這時候水星金星都會被太陽吞噬掉。地球的命運不是很清楚。要是沒有潮汐力的話,那地球的軌道就會往外逃約1.5天文單位。但近來研究發現因為地球和太陽有潮汐力地球還是會被太陽的外氣層吞噬掉。可是在此之前,當太陽的耗盡時,地球的生物圈將會被破壞,額外增加的太陽能將造成地球海洋的蒸發。過了30億年以後,地球的表面將變得如同金星一般高熱。再過50億年以後,地球的空氣都會向外太空逸散,最後變成焦黑的行星。[11][12]

小說中的紅巨星

  • 超人的漫畫書中,摧毀超人出生地克利普頓星所在的行星系即是繞着紅巨星運行,而故事情節裏則設定超人的力量來源取源於地球所環繞的黃色太陽。

參見

參考文獻

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