恒星
觀測簡史
自古以來,人們就將恒星組成圖形 ,這是約翰·赫維留在1690年描繪的獅子座 。
人類對恒星的觀測歷史悠久。古埃及以天狼星在東方地平線的出現(xiàn),預示尼羅河泛濫的日子。中國商朝就設立專門官員觀測大火在東方的出現(xiàn),確定歲首的時刻,與作物播種與收割并列在卜辭中。而中國明朝的航海家們則利用航海九星來判斷方向。美國的阿波羅11號飛船設有光學定位儀,利用恒星來確定位置。
肉眼可以看見的獅子座(已添加星座連線)。
在歷史上,恒星在世界各地的文明中都曾占有重要的地位,它們被作為宗教上的實踐并用于天文導航上指示方向。許多古代的天文學家都相信恒星被固定在永恒的天球上(球形的天空),并且永遠不會變化。經(jīng)由相約成俗,天文學家將一群一群的恒星集合組成星座,并且用它們來追蹤行星在天空中的運動和臆測太陽的位置 。太陽在星空背景(和地平線)被用來創(chuàng)造了歷法,可以用來實踐農(nóng)業(yè)的調(diào)控 ?,F(xiàn)在幾乎全球都在使用的格里歷就是依據(jù)最靠近地球的恒星,太陽為基礎建立的。
最古老的,標有精確日期的星圖出現(xiàn)在公元前1534年的古埃及 。天文學家為許多恒星取的阿拉伯文名稱一直到今天都還在使用,他們還發(fā)明了許多天文儀器可以測量和計算恒星的位置。在11世紀,阿布·拉伊漢·比魯尼描述銀河系像是由有恒星的云氣組成的許多碎片,在1019年的月食也測量了一些恒星的緯度 。
中國至晚在春秋時期已了解恒星是由氣體構(gòu)成(參見杞人憂天), 并知道還是有新的恒星可能出現(xiàn) 。早期的一些歐洲天文學家,像是第谷,就在夜空中辨認出一顆新的恒星(后來稱為新星),因此認為天空不是永恒不變的。在1584年,焦爾達諾·布魯諾認為恒星像太陽一樣,也可能有其他行星,甚至有像地球一樣的,環(huán)繞著它們 ,古代的希臘哲學家德謨克利特和伊比鳩魯也曾經(jīng)提出和他一樣的想法 。在進入下個世紀前,天文學家已經(jīng)取得了一致的看法,認為恒星是遙遠的太陽。神學家李察·賓特利質(zhì)疑這些恒星為何沒有對太陽系施加萬有引力,艾薩克·牛頓解釋認為在每個方向分布的恒星將引力彼此互相抵銷掉了 。
意大利天文學家杰米尼安諾·蒙塔納利在1667年觀測和記錄了大陵五的光度變化,愛德蒙·哈雷出版一對鄰近"恒星"自行的測量報告,顯示出從古希臘天文學家托勒密和喜帕恰斯迄今,它們的位置已經(jīng)改變了。白塞爾在1838年首度利用視差的技術測出一顆恒星(天鵝座61)的距離是11.4光年,顯示了天空的廣大和天體距離的遙遠 。
威廉·赫歇爾是第一位嘗試確定恒星在天空中分布狀態(tài)的天文學家。在1780年代,他用量測器對600個方向進行了一系列的測量,計算沿著視線方向可以看見的恒星數(shù)目。透過這樣的研究,他推論出恒星的數(shù)量平穩(wěn)的向著天空的一側(cè)增加,這個方向就是銀河的中心。他的兒子約翰·赫歇爾在南半球的天空重復他的研究,也得到向著同一方向增加的相同結(jié)果 。除了這些還有其他的成就,威廉·赫歇爾還注意到有些恒星不僅是在相同的方向上,彼此之間還是物理上的伙伴形成了聯(lián)星系統(tǒng)。
約瑟夫·夫瑯禾費和安吉洛·西奇開創(chuàng)了科學的天體光譜學,經(jīng)由比較天狼星和太陽的光譜,他們發(fā)現(xiàn)有不同數(shù)量和強度的吸收譜線—恒星光譜中黑暗的譜線是由大氣層吸收特定頻率的波長造成的。西奇從1865年開始分依據(jù)光譜類型對恒星做分類 。不過,現(xiàn)代的恒星分類系統(tǒng)是安妮·坎農(nóng)在1900年代建立的。
半人馬座α星A和半人馬座α星B在土星環(huán)之上
在19世紀雙星觀測所獲得的成就使重要性也增加了。在1834年,白塞爾觀測到天狼星自行的變化,因而推測有一顆隱藏的伴星;愛德華·皮克林在1899年觀測開陽周期性分裂的光譜線時發(fā)現(xiàn)第一顆光譜雙星,周期是104天。天文學家斯特魯維和 舍本·衛(wèi)斯里·伯納姆 ( 英語 : Sherburne Wesley Burnham ) 仔細的觀察和收集了許多聯(lián)星的資料,使得可以從被確定的軌道要素推算出恒星的質(zhì)量。第一個獲得解答的是1827年由菲利克斯·薩瓦里(Felix Savary)透過望遠鏡的觀測得到的聯(lián)星軌道 。
對恒星的科學研究在20世紀獲得快速的進展,相片成為天文學上很有價值的工具。卡爾·史瓦西發(fā)現(xiàn)經(jīng)由比較視星等和攝影星等的差別,可以得到恒星的顏色和它的溫度。1921年,光電光度計的發(fā)展可以在不同的波長間隔上非常精密的測量星等。阿爾伯特·邁克耳孫在胡克望遠鏡第一次使用干涉儀測量出恒星的直徑 。
在20世紀的第一個十年里,恒星物理概念性的重要工作開始進展。在1913年,赫羅圖發(fā)展出來,推動了恒星在天文物理上的研究。解釋恒星內(nèi)部和恒星演化的模型被成功的發(fā)展出來;恒星光譜也因為量子物理學的進展而得以成功的解釋;恒星大氣中的化學成分也能夠被確定 。
除了超新星之外,各別的恒星都在我們的銀河系所在的本星系群中被觀測到 ,特別是在可以看見的銀河部分(如同展示我們的銀河系可以利用 的詳細星表 )。但是有些距離地球一億光年遠,在室女座星系團M100星系內(nèi)的恒星也被觀測到 。在本超星系團也有一些星團被觀測到,并且現(xiàn)代的望遠鏡原則上可以觀察到本星系群內(nèi)單獨的微弱恒星—被解晰出來最遙遠的恒星距離在一億光年 (參見造父變星)。然而在本超星系團之外的星系中,無論是單獨的恒星或星團都未曾被觀測過,唯一的例外是在十億光年外的一個擁有數(shù)十萬顆恒星的巨大星團曾留下微弱的影像 —距離十倍于以前曾觀測過最遙遠的星團。
恒星命名
這張圖中的藍色恒星是所謂的藍掉隊星,它們是出現(xiàn)在赫羅圖上的左上角。
中國
每一顆恒星都要給它取一個獨特的名字,才能夠便于研究和識別。中國在戰(zhàn)國時代起已命名肉眼能辨別到的恒星或是以它所在星官(包括三垣以及二十八宿)命名,如天關星、北河二、心宿二等;或是根據(jù)傳說命名,例如織女星(織女一)、牛郎星(河鼓二)、老人星等,構(gòu)成一個不嚴謹?shù)莫毩Ⅲw系。
西方
星座的概念在巴比倫時期就已經(jīng)存在,古代的觀星人將哪些比較顯著的恒星和自然或神話等特定的景物結(jié)合,想像成不同的形狀,和與它們相關形象的性質(zhì)或神話。位于黃道帶上的12個星座就成了占星學的依據(jù) 。許多明顯的單獨恒星也被賦予專屬的名字,特別是以阿拉伯文和拉丁文標示的名稱。
除了某些星座和太陽本身,有些個別的恒星也有自己的神話 。它們被認為是亡者或神的靈魂,例如大陵五就代表著蛇發(fā)女怪美杜莎。
在古希臘,已經(jīng)知道有些星星是行星(希臘文:πλαν?τη? (planētēs),意思是“漫游者”),代表著各式各樣重要的神祇,這些行星的名字是水星、金星、火星、木星、和土星 (天王星和海王星雖然也是希臘和羅馬神話中的神祇,但是它們的光度暗淡,因此古代人并未發(fā)現(xiàn),它們的名字是后來才由天文學家命名的。)。
大約在1600年代,星座的名稱、范圍以及恒星的名字還是由各個地區(qū)自己命名的。1603年,德國天文學家約翰·拜耳創(chuàng)造了以希臘字母序列與星座結(jié)合的拜耳命名法,為星座內(nèi)的每一顆恒星命名。然后英國天文學家約翰·佛蘭斯蒂德發(fā)明出了依據(jù)赤經(jīng)數(shù)值的數(shù)字系統(tǒng)命名法,使用在它的星表《不列顛星表》(Historia coelestis Britannica,在1712出版),這就是佛蘭斯蒂德命名法或“佛氏數(shù)字法” 。從此以后許多其他的系統(tǒng)的星表都被創(chuàng)造出來。
其他
國際公認唯一能夠為恒星或天體命名的權威機構(gòu)是國際天文合會(IAU,International Astronomical Union) 。但是,世界各地有許多私人公司出售恒星的名字,大英圖書館稱這些是不道德的企業(yè) 。不過,國際天文合會本身不會從事這種商業(yè)行為,這些公司售出的名稱不會被認可,也不會被使用 。其中一間名為International Star Registry的公司,在1980年代被指控詐欺,不實的讓民眾誤以為購買的恒星名稱可以得到官方認可?,F(xiàn)在,ISR的這種作法已經(jīng)被正式貼上標簽,是一種騙局和詐欺的行為 ; 紐約市消費者事務部 ( 英語 : New York City Department of Consumer Affairs ) 也發(fā)出ISR的做法是違法從事欺騙貿(mào)易 。
數(shù)量
天文學家對宇宙中恒星的數(shù)量一直有不同的估算。最著名的一個說法是美國天文學家卡爾·薩根在他的著作《千億的千億》中提出的一個猜測,認為宇宙中有1000億個星系,每個星系有1000億個恒星。而據(jù)此天文學家又進一步推測各星系恒星數(shù)量約為1000億的一萬億倍。美國天文學家彼得·范·多昆和天體物理學家查理·康羅伊對來自星系的光強度分析后認為大約有3X10 。
測量的單位
多數(shù)恒星的參數(shù)被用SI單位來表示,但是有時也會采用CGS單位(像是使用爾格/秒來表示光度)。質(zhì)量、光度和半徑通常都會以太陽為單位,建立在太陽的特性上:
巨大的長度,像是巨星的半徑或是聯(lián)星系統(tǒng)的半長軸,經(jīng)常會用天文單位—地球和太陽的平均距離來表示,大約是一億五千萬公里或九千三百萬英里。
形成和演化
低質(zhì)量恒星(左循環(huán))和高質(zhì)量恒星(右循環(huán))演化的循環(huán),對應的例子以斜體字呈現(xiàn)。
恒星在星際物質(zhì)擴散區(qū)域內(nèi)密度較高的地區(qū)形成,但是那兒的密度仍然低于我們在真空室內(nèi)所能創(chuàng)造的密度。這樣的地區(qū)是所謂的分子云,其中絕大部分是氫,大約23至28%的氦,還有幾個%的重元素組成。獵戶座大星云就是恒星形成區(qū)的一個例子 。當大質(zhì)量的恒星在分子云內(nèi)形成,它們不僅將照亮那團云氣,也會使氫電離,創(chuàng)造出HII區(qū)。
所有的恒星,有生之年的絕大部分時間都是主序星,主要是燃燒氫元素,經(jīng)由核聚變產(chǎn)生氦。然而,不同質(zhì)量的恒星在其演化階段有著截然不同的性質(zhì),大質(zhì)量恒星不僅最終的命運和低質(zhì)量恒星不同,它們的亮度和對周遭環(huán)境的沖擊也不同。因此,天文學家經(jīng)常以質(zhì)量將恒星分成不同的群組 :
非常低質(zhì)量的恒星:質(zhì)量少于0.5太陽質(zhì)量的恒星不會演化進入漸近巨星分支(AGB),但是會直接成為白矮星。
低質(zhì)量恒星(包括太陽)是質(zhì)量超過0.5太陽質(zhì)量,但未超過1.8-2.2太陽質(zhì)量的恒星,會演化進入AGB(依據(jù)它們的組成),在那里演化出簡并的氦核。
中等質(zhì)量恒星會經(jīng)歷氦聚變和演化出簡并的碳-氧核。
大質(zhì)量恒星的質(zhì)量至少是7-10太陽質(zhì)量,但也可能低至5或6太陽質(zhì)量。這些恒星在生命的后期經(jīng)過碳融合,并以核心坍縮的超新星爆炸結(jié)束一生。
原恒星形成
恒星的形成從分子云內(nèi)部的引力不穩(wěn)定開始,通常是因為超新星(大質(zhì)量恒星爆炸)的沖激波觸發(fā)或兩個星系的碰撞(像是星爆星系)。一但某個區(qū)域的密度達到或滿足金斯不穩(wěn)定性的標準,它就會因為自身的引力開始坍縮 。
藝術家觀念下在高密度分子云誕生的恒星。
分子云一旦開始坍縮,個別密集的塵土和氣體就會形成我們所知道的包克球,它們可以擁有50倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)。當小球繼續(xù)坍縮時,密度持續(xù)增加,引力勢能被轉(zhuǎn)換成熱,并且使溫度上升。當原恒星云趨近于流體靜力平衡的狀態(tài)時,原恒星就在核心形成了 。這些主序前星經(jīng)常都有原行星盤還繞著,并且主要的能量來源是引力收縮,引力收縮的期間至少要經(jīng)歷一千萬至一千五百萬年。
質(zhì)量低于2倍太陽質(zhì)量的早期恒星稱為金牛T星,質(zhì)量較大的則是赫比格Ae/Be星。這些新生的恒星由自轉(zhuǎn)軸的兩極噴出的噴流,這可能會降低所知的赫比格-哈羅天體小片云氣坍縮結(jié)果所形成恒星的角動量 。 這些噴流,結(jié)合來自附近大質(zhì)量恒星的輻射,有助于驅(qū)散形成中恒星周圍殘余的云氣 。
在它們發(fā)展的早期,金牛T星遵循著林軌跡―它們收縮和光度降低,但是溫度和其它則大致相同。質(zhì)量低的金牛T星遵循這樣的軌跡進入主序帶,質(zhì)量較重的恒星會先轉(zhuǎn)入亨耶跡。
主序星
包括太陽(中心)在內(nèi)一系列恒星的赫羅圖例子。(參見下文的分類)。
恒星一生的90%都是在核心以高溫和高壓將氫聚變成氦的階段。在主序帶上,像這樣的恒星,稱為矮星。從零齡主序星開始,氦在核心的比率穩(wěn)定的增加,在核心的核聚變速率緩慢的增加,恒星表面的溫度和亮度也是一樣 。 以太陽為例,估計從它進入主序帶開始,在這46億年當中,它的亮度已經(jīng)增加了大約40%T 。
每一顆恒星都會形成由微粒組成的恒星風,導致不斷噴出氣體進入太空。對多數(shù)的恒星,這樣的質(zhì)量損失可以忽略不計。太陽每年損失的質(zhì)量只有10 太陽質(zhì)量 ,或是在它的一生中損失大約總質(zhì)量的0.01%。然而,質(zhì)量非常巨大的恒星每年可能損失10 到10 太陽質(zhì)量,顯著的影響到它的演化 。恒星進入主序帶的質(zhì)量若是超過太陽質(zhì)量的50倍,在主序帶的階段可以失去過一半的質(zhì)量 。
恒星在主序帶上所經(jīng)歷的時間取決于它的燃料量和消耗燃料的速率,換言之就是開始的光度和質(zhì)量。對太陽來說,估計它的壽命有一百億年。大質(zhì)量的恒星燃燒燃料的速度快,生命期就短;低質(zhì)量的恒星燃燒燃料的速度很慢。質(zhì)量低于0.25太陽質(zhì)量的恒星,稱為紅矮星,幾乎所有的質(zhì)量都是可以燃燒的燃料,但是1太陽質(zhì)量的恒星,大約只有10%的質(zhì)量是燃料。結(jié)合它們緩慢的燃燒速率和可以使用的燃料量,依據(jù)恒演化的計算,0.25太陽質(zhì)量的恒星至少可以維持1兆年(10 ),而以氫為燃料的質(zhì)量最低恒星(0.08太陽質(zhì)量)將可以持續(xù)燃燒12兆年 當恒星的生命結(jié)束時,紅矮星單純的只是越來越黯淡 。但是,因為這種恒星的生命期遠大于現(xiàn)在的宇宙年齡(138億歲),還沒有質(zhì)量低于0.85太陽質(zhì)量的恒星死亡 ,也還未被預期會離開主序帶。
除了質(zhì)量,比氦重的元素在恒星演化中也扮演著值得注意的角色。在天文學中,比氦重的元素都被視為"金屬",而這些元素在化學上的濃度稱為金屬量。金屬量可以影響恒星燃燒燃料的速率和持續(xù)的時間,和控制磁場的形成 ,并改變恒星風的強度 。年老的第二星族恒星的金屬量會低于年輕的第一星族,這是由于形成星族的分子云的成分不同。隨著時間的推移,因為當老的恒星死去時會將大氣層灑落至分子云中,云中的重元素量就會隨著時間過去變得越來越豐富。
主序后星
質(zhì)量不低于0.4太陽質(zhì)量的恒星 在耗盡核心供應的氫之后,外層的氣體開始膨脹并冷卻形成紅巨星。大約50億年后的太陽,當太陽進入這個階段,它將膨脹至的最大半徑大約是1天文單位(150 × 10 千米),是目前的250倍。成為巨星時,太陽大約已失去目前質(zhì)量的30% 。
質(zhì)量達到2.25太陽質(zhì)量的紅巨星,氫燃燒的程序會在環(huán)繞核心周圍的殼層進行 最后核心被壓縮至可以進行氦聚變,同時恒星的半徑逐漸縮小而且表面的溫度增加。更大的恒星,核心的區(qū)域會直接從氫聚變進入氦聚變 。
在恒星核心的氦也耗盡之后,核聚變繼續(xù)在包圍著高熱的碳和氧核心的殼層內(nèi)進行。然后循著與原來的紅巨星階段平行,但是表面溫度較高的路徑繼續(xù)演化。
大質(zhì)量恒星
在氦燃燒階段,質(zhì)量超過9倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星會膨脹成為紅超巨星。一但核心的燃料耗盡,它們會繼續(xù)燃燒比氦更重的元素。
核心繼續(xù)收縮直到溫度和壓力能夠讓碳融合(參考碳燃燒過程)。這個過程會繼續(xù),接續(xù)到下一步驟燃燒氖(參考氖燃燒過程)、氧(參考氧燃燒過程)、和硅(參考硅燃燒過程)。接近恒星生命的終點,核聚變在恒星內(nèi)部可能延沿著數(shù)層像洋蔥殼一樣的殼層中發(fā)生。每一層燃燒著不同的元素 燃料,燃燒的最外層是氫聚變,第二層是氦聚變,依序向內(nèi) 。 當大質(zhì)量恒星將鐵制造出來就到達了最后的階段,因為鐵核的束縛能比任何更重的元素都大。任何超越鐵元素的融合,與之前的相反,不僅不會釋放出能量,還要消耗能量。同樣的,它也比較輕的元素緊密,鐵核的分裂也不會釋放出能量 。在比較老、質(zhì)量比較大的恒星,惰性的鐵會累積在恒星的核心。在這些恒星中的重元素或許可能會隨著自身的運作方式到達恒星的表面,發(fā)展形成所知的沃爾夫-拉葉星,從大氣層向外吹送出致密的恒星風。
坍縮
蟹狀星云是超新星殘骸,它是在公元1054年首度被發(fā)現(xiàn)的。
當恒星的核心縮小時,從這個表面輻射強度就會增加,創(chuàng)造出的輻射壓會將上層的氣體殼層往外推送,形成行星狀星云。如果外層的大氣已經(jīng)被推出之后,殘余的質(zhì)量少于1.4太陽質(zhì)量,它就會收縮至相對于較小,大約如同地球般大小的物體,稱為白矮星。白矮星缺乏進一步進行引力壓縮所需要的質(zhì)量 。雖然一般的恒星都是等離子體體,但在白矮星內(nèi)的電子簡并物質(zhì)已經(jīng)不是等離子體體。在經(jīng)歷非常漫長的時間之后,白矮星最后會暗淡至成為黑矮星。
更大的恒星,核聚變會繼續(xù)進行,直到鐵核有了足夠的大?。ù笥?.4倍太陽質(zhì)量)而不再能支撐自身的質(zhì)量。在反β衰變或電子捕獲的爆發(fā)之后,電子會進入質(zhì)子之內(nèi)形成中子、中微子和伽馬射線,使核心突然的坍縮。由這種突然的坍縮產(chǎn)生的激震波造成恒星剩余的部分爆炸成為超新星。超新星非常的明亮,在短時間內(nèi)它的亮度可以等同于它所在星系的所有恒星亮度。當它們發(fā)生在銀河系內(nèi),就是歷史上曾經(jīng)以肉眼看見和記載,但在以前不存在的"新恒星" 。
超新星爆炸會使這顆恒星的大部分物質(zhì)都飛散出去(形成像蟹狀星云這種的云氣 )。剩下的就是中子星(有些被證明是波霎或是X-射線爆發(fā)),或是在質(zhì)量最大恒星(剩余的質(zhì)量必須大于4倍太陽質(zhì)量)就會形成黑洞 。在中子星內(nèi)的物質(zhì)是中子簡并物質(zhì),和一種可能存在核心但極不穩(wěn)定的簡并物質(zhì),QCD物質(zhì)。物質(zhì)在黑洞核心所處在的狀態(tài)是迄今仍不了解的。
垂死恒星拋出去的外層物質(zhì)包括一些重元素,可能恒星形成的世代交替中成為新恒星的原料。這些重元素可以形成巖石的行星。從超新星和大恒星的恒星風拋出的物質(zhì)在星際物質(zhì)的構(gòu)成中扮演著重要的角色 。
分布
在軌道上環(huán)繞著天狼星的白矮星(藝術想像圖)NASA的影像
除了單獨的恒星之外,恒星系統(tǒng)可以是兩顆或更多的恒星受到引力的約束而在軌道上互繞著。最普通的恒星系統(tǒng)就是聯(lián)星,但是也發(fā)現(xiàn)有三顆或更多恒星的系統(tǒng)。而因為軌道要穩(wěn)定的緣故,這些恒星系統(tǒng)經(jīng)常會形成階級制度的共軌恒星 。也存在著更大的、被稱為星團的集團。他們的范圍從只有幾十顆恒星,松散的星協(xié),到龐大的擁有數(shù)十萬顆恒星,稱為球狀星團的集團。
這是一個長久以來就存在的假設,大多數(shù)的恒星都是長期處在特定引力場的多星或聯(lián)星系統(tǒng)。特別是許多大質(zhì)量的O和B型恒星,有80%被認為是多星系統(tǒng)的一部分。然而,質(zhì)量越低的恒星,單獨存在的比例顯然越高,只有25%的紅矮星被發(fā)現(xiàn)有伴星。因為85%的恒星是紅矮星,所以在銀河系內(nèi)多數(shù)的恒星都是單獨誕生的 。
恒星在宇宙中的分布是不均勻的,并且通常都是成群的與星際間的氣體、塵埃一起存在于星系中。一個典型的星系擁有數(shù)千億顆的恒星,而在可觀測宇宙中的星系數(shù)量超過一千億個(10 ) 。2010年對恒星數(shù)量的估計是在可觀測宇宙中有3000垓(3 × 10 )顆 。盡管人們往往認為恒星僅存在于星系中,但星系際的恒星已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了 。
除了太陽之外,最靠近地球的恒星是半人馬座的毗鄰星,距離是39.9兆(10 )公里,或4.2光年。光線從半人馬座的比鄰星要4.2年才能抵達地球。在軌道上繞行地球的航天飛機(速度約為8公里/秒,時速約30,000公里),需要150,000年才能抵達那兒 。包括鄰近太陽系的地區(qū),像這樣的距離,在星系盤中是很典型的 。在星系的中心和球狀星團內(nèi),恒星的距離會比較接近,而在星暈中的距離則會更遙遠。
由于相對于星系的中心,恒星的距離是非常開闊的,因此恒星的相互碰撞是非常罕見的。但是在密集的區(qū)域,像是球狀星團或星系的核心,恒星碰撞則很常見 。這樣的碰撞會形成所知的藍掉隊星,這些異常的恒星比在同一星團中光度相同的主序星有著更高的表面溫度 。
特征
恒星的一切幾乎都取決于它最初的質(zhì)量,包括本質(zhì)特征,例如光度和大小,還有演變、壽命和最終的命運。
年齡
多數(shù)恒星的年齡在10億至100億歲之間,有些恒星甚至接近138億歲 -可觀測宇宙的年齡。目前發(fā)現(xiàn)最古老的恒星是HD 140283,昵稱瑪土撒拉的恒星,估計的年齡是144.6 ± 8億歲 (由于具有不確定性,在數(shù)值上,這顆恒星的年齡與宇宙年齡并不沖突。由普朗克衛(wèi)星測量的年齡是137.98 ± 0.37億歲 。)
質(zhì)量越大的恒星,壽命越短暫,主要是因為質(zhì)量越大的恒星核心的壓力也越高,造成燃燒氫的速度也越快。許多大質(zhì)量的恒星平均只有數(shù)百萬年的壽命,但質(zhì)量最輕的恒星(紅矮星)以很慢的速率燃燒它們的燃料,壽命至少有數(shù)兆年 。
化學組成
當恒星在目前的銀河系中形成,它們的組成是約71%的氫和27%的氦 。以質(zhì)量測量時,會有著小比例的重元素。因為鐵是很普通的元素,而且相對而言很容易測到它的譜線,因此典型的重元素測量是根據(jù)恒星大氣層內(nèi)鐵含量;更重元素的成分或許可以是有無行星系統(tǒng)的一個指標 。
被測量過的恒星中含鐵量最低的是矮星HE1327-2326,鐵的比率只有太陽的廿萬分之一 。對照之下,金屬量較高的是軒轅十(獅子座μ),鐵豐度是太陽的一倍,而另一顆有行星的七公增十三則幾乎是太陽的三倍 。也有些化學元素與眾不同的特殊恒星,在它們的譜線中有某些元素的吸收線,特別是鉻和稀土元素 。
直徑
由于和地球的距離遙遠,除了太陽之外的所有恒星在肉眼淺來都只是夜空中的一個光點,并且受到大氣層的影響而閃爍著。太陽也是恒星,但因為很靠近地球所以不僅看起來呈現(xiàn)圓盤狀,還提供了白天的光線。除了太陽之外,看起來最大的恒星是劍魚座R,它的是直徑是0.057角秒 。
我們對恒星的了解大多數(shù)來自理論的模型和模擬,而這些理論只是建立在恒星光譜和直徑的測量上。除了太陽之外,首顆被測量出直徑的恒星是參宿四,是由阿爾伯特·邁克耳孫在1921年使用威爾遜山天文臺100吋的胡克望遠鏡完成(約450個太陽直徑)。
對地基的望遠鏡而言,絕大多數(shù)的恒星盤面都太小而無法察覺其角直徑,因此要使用干涉儀望遠鏡才能獲得這些恒星的影像。另一種測量恒星角直徑的技術是掩星:這種技術精確的測量被月球掩蔽時光度減弱的過程(或再出現(xiàn)時光度回升的過程),依此可以計算出恒星的視直徑 。
恒星的尺寸,從小到只有20公里到40公里的中子星,到像獵戶座參宿四的超巨星,直徑是太陽的650倍,大約9億公里,但是密度比太陽低很多 。
動能
一顆恒星相對于太陽運動可以提供這顆恒星的年齡和起源的有用信息,并且還包括周圍的星系結(jié)構(gòu)和演變。一顆恒星運動的成分包括徑向速度是接近或遠離太陽,和橫越天空的角動量,也就是所謂的自行。
徑向速度是由恒星光譜中的多普勒位移來測量,它的單位是公里/秒。恒星的自行是經(jīng)由精密的天體測量來確認,其單位為百萬分之一弧秒(mas)/年。經(jīng)由測量恒星的視差,自行可以換算成實際的速度單位。恒星自行速率越高的通常就是比較靠近太陽,這也使高自行的恒星成為視差測量的理想候選者 。
一旦兩種運動都已測出,恒星相對于太陽恒星系的空間速度就可以算出來。在鄰近的恒星中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)第一星族的恒星速度通常比較老的第二星族的恒星低,而后者是以傾斜于平面的橢圓軌道運轉(zhuǎn)的 。比較鄰近恒星的動能也能導出和證明星協(xié)的結(jié)構(gòu),它們就像起源于同一個巨大的分子云中共同向著同一個點運動的一群恒星 。
磁場
以平均的塞曼-多普勒成像重建的御夫座SU(一顆年輕的金牛座T型星)表面的磁場。
恒星的磁場起源于恒星內(nèi)部對流的循環(huán)開始產(chǎn)生的區(qū)域。具有導電性的等離子體像發(fā)電機,引起在恒星中延伸的磁場。磁場的強度隨著恒星的質(zhì)量和成分而改變,表面磁性活動的總量取決于恒星自轉(zhuǎn)的速率。表面的活動會產(chǎn)生星斑,是表面磁場較正常強而溫度較正常低的區(qū)域。拱型的星冕圈是從磁場活躍地區(qū)進入星冕的光環(huán),星焰是由同樣的磁場活動噴發(fā)出的高能粒子爆發(fā)的現(xiàn)象 。
由于磁場的活動,年輕、高速自轉(zhuǎn)的恒星傾向于有高度的表面活動。磁場也會增強恒星風,然而自轉(zhuǎn)的速率有如閘門,隨著恒星的老化而逐漸減緩。因此,像太陽這樣高齡的恒星,自轉(zhuǎn)的速率較低,表面的活動也較溫和。自轉(zhuǎn)緩慢的恒星活動程度傾向于周期性的變化,并且可能在周期中暫時停止活動 。像是蒙德極小期的例子,太陽有大約70年的時間幾乎完全沒有黑子活動。
質(zhì)量
反射星云NGC 1999是被獵戶座V380(位于中心)照亮的,這顆變星的質(zhì)量大約是3.5太陽質(zhì)量。源自NASA影像
船底座η是已知質(zhì)量最大的恒星之一 ,約為太陽的100–150倍,所以其壽命很短,最多祇有數(shù)百萬年。依據(jù)對圓拱星團(Arches cluster)的研究,認為在現(xiàn)在的宇宙應該有質(zhì)量是太陽150倍的大質(zhì)量恒星存在 ,但在實際上卻未能尋獲。雖然這個極限的原因仍不清楚,但愛丁頓光度給了部分答案,因為它定義了恒星在不拋出外層大氣層下所能發(fā)射至空間的最大光度。
在大爆炸后最早誕生的那一批恒星質(zhì)量必然很大,或許能達到太陽的300倍甚至更大 ,由于在它們的成分中完全沒有比鋰更重的元素,這一代超大質(zhì)量的恒星應該已經(jīng)滅絕,第三星族星目前只存在于理論中。
劍魚座AB A的伴星劍魚座AB C,質(zhì)量只有木星的93倍,是已知質(zhì)量最小,但核心仍能進行核聚變的恒星 。金屬量與太陽相似的恒星,理論上仍能進行核聚變反應的最低質(zhì)量估計質(zhì)量大約是木星質(zhì)量的75倍 。當金屬量很低時,依目前對最暗淡恒星的研究,發(fā)現(xiàn)尺寸最小的恒星質(zhì)量似乎只有太陽的8.3%,或是木星質(zhì)量的87倍 。再小的恒星就是介乎于恒星與氣體巨星之間的灰色地帶,沒有明確定義的褐矮星。
結(jié)合恒星的半徑和質(zhì)量可以確定恒星表面的引力,巨星表面的引力比主序星低了許多,而相較于簡并下的狀態(tài),像是白矮星,表面引力則更為強大。表面引力也會影響恒星的光譜,越高的引力所造成吸收譜線的變寬越明顯 。
質(zhì)量下限
恒星的質(zhì)量是有限制的。據(jù)計算,如果一顆恒星的質(zhì)量小于0.07個太陽質(zhì)量,它便失去了作為恒星的資格。 如果非常小的原恒星溫度不能達到足夠開始氫的核聚變反應,它們會成為褐矮星。
自轉(zhuǎn)
恒星的自轉(zhuǎn)可以透過分光鏡概略的測量,或是追蹤星斑確實的測量。年輕恒星會有很高的自轉(zhuǎn)速度,在赤道可以超過100公里/秒。例如,B型的水委一在自轉(zhuǎn)的赤道速度就高達225公里/秒甚至更高,使得赤道半徑比極赤道大了50%。這樣的速度僅比讓水委一分裂的臨界速度300公里/秒低了一些 。相較之下,太陽以25 – 35天的周期自轉(zhuǎn)一圈,在赤道的自轉(zhuǎn)速度只有1.994公里/秒。恒星的磁場和恒星風對主序帶上恒星的自轉(zhuǎn)速率的減緩,在演變有著重要的影響 。
致密星壓縮成非常致密的物質(zhì),同時造成高速的自轉(zhuǎn)。但是相較于它們在低自轉(zhuǎn)速速的狀態(tài)由于角動量守恒,—一個轉(zhuǎn)動的物體會以增加自轉(zhuǎn)的速率來補償尺寸上的縮減,而絕大部分消散的角動量是經(jīng)向外吹拂恒星風帶走的 。無論如何,波霎的自轉(zhuǎn)是非??焖俚?,例如在蟹狀星云核心的波霎,自轉(zhuǎn)速率為每秒30轉(zhuǎn) 。波霎的自轉(zhuǎn)速率會因為輻射發(fā)射而減緩。
溫度
在主序帶上恒星的表面溫度取決于核心能量生成的速率和恒星的半徑,并且可以使用色指數(shù)來估計 。它通常被作為有效溫度,也就是被理想化的黑體在表面輻射出的能量使單位表面積有著相同的光度時所對應的溫度。然而要注意的是有效溫度只是一個代表的數(shù)值,因為實際上恒星的溫度從核心表至面是有隨著距離增加而減少的梯度 ,在核心區(qū)域的溫度通常都是數(shù)百萬度K 。
恒星的溫度可以確定不同元素被電離或被活化的比率,結(jié)果呈現(xiàn)在光譜吸收線的特征。恒星的表面溫度,與他的目視絕對星等和吸收特點,被用來作為恒星分類的依據(jù)(參見下面的#分類) 。
大質(zhì)量的主序星表面溫度可以高達50,000K,像太陽這種較小的恒星表面溫度就只有幾千度。相對來說,紅巨星的表面只有3,600 K的低溫,但是因為巨大的表面積而有高亮度 。
輻射
恒星產(chǎn)生的能量,是核聚變的副產(chǎn)品,以電磁輻射和質(zhì)點輻射的輻射熱進入太空。質(zhì)點輻射(它們穩(wěn)定的存在于氣流中,包括來自恒星外層的自由質(zhì)子、α粒子、和β粒子)經(jīng)由恒星風來散發(fā) ,還有來自核心的中微子也穩(wěn)定的存在于恒星風內(nèi)。
在核心產(chǎn)生的能量是如何使恒星如此的明亮:任何時間當某種元素的兩個或更多的原子核融合在一起,組合成一種更重的新元素時,γ射線和光子經(jīng)由核反應被釋放出來。當這些能量抵達表面的數(shù)層時,已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成包括可見光等其他各種形式的電磁能。
恒星的顏色,以可見光頻率的峰值來測量,與恒星最外層,包括光球?qū)拥臏囟扔嘘P 。除了可見光,恒星還輻射出其他肉眼看不見的電磁波輻射。事實上,恒星的電磁波輻射涵蓋了整個的電磁波頻譜,從波長最長的無線電波和紅外線到最短的紫外線、X射線和γ射線。恒星電磁波輻射的組成,包括可見和不可見的,都很值得注意。
使用恒星光譜,天文學家可以測量恒星的表面溫度、表面引力、金屬量和自轉(zhuǎn)的速度。如果知道恒星的距離,例如通過視差的測量,就可以推導出恒星的光度。質(zhì)量、半徑、表面引力、和自轉(zhuǎn)周期都是建立在恒星模型的估計上(在聯(lián)星系統(tǒng)的恒星質(zhì)量可以直接測量),引力微透鏡的技術可以直接測量恒星的質(zhì)量 )。有了這些參數(shù),天文學家可以估計恒星的年齡 。
光度
在天文學,光度是一個天體在單位時間內(nèi)輻射的光和其他形式輻射能的總和,恒星的光度取決于恒星的半徑和表面溫度。但是許多恒星表面輻射的流量是不均勻的—總能量是單位面積的能量乘上整個表面積。以快速自轉(zhuǎn)的織女星為例,它的極輻射的能量流量就比赤道為多 。
恒星表面的星斑輻射出的能量和溫度都低于平均值。小的,像太陽這樣的 矮星 ,通常表面除了星斑之外就沒有其他的特征;大的 巨星 則有較大和較明顯的星斑 ,它們也有較強烈的周邊昏暗現(xiàn)象,也就是說光度會由恒星圓盤面中心向邊緣逐漸減弱 。紅矮星的閃光星,像是鯨魚座UV,可能擁有明顯的星斑特征 。
星等
恒星的視亮度是測量所得的視星等,這種亮度是與恒星的發(fā)光度、到地球的距離,和穿過地球的大氣層所受到的改變有關。內(nèi)在的或絕對星等是恒星在距離地球10秒差距(32.6光年)所呈現(xiàn)的視星等,只與恒星的發(fā)光度有關。
視星等和絕對星等的標尺都是對數(shù)單位:每一個相鄰的整數(shù)數(shù)值的光度變化都是相差2.5倍 (100的五次方根值近似于2.512)。這意思就是一等星(+1.00)的亮度是二等星(+2.00)的2.5倍,并且是六等星(+6.00)的100倍。在視相度良好的條件下肉眼可以看見的最暗星就是六等星。
在視星等和絕對星等的亮度標尺上,都是數(shù)值越小的恒星越亮,數(shù)值越大的亮度越暗。無論在那一種標尺下最亮的都是負數(shù)值的星等。兩顆恒星之間的亮度差是亮星(m b )的星等減去暗星(m f )的星等,然后使用2.512做對數(shù)的基底取方次;也就是說,
相對于發(fā)光度和地球的距離,絕對星等(M)和視星等(m)對單獨的恒星通常都是不同的 ,例如,明亮的天狼星視星等為?1.44,但它的絕對星等是+1.41。
太陽的視星等是?26.7,但它的絕對星等只有+4.83。天狼星從地球上看是最亮的恒星,發(fā)光度大約是太陽的23倍;而在夜空中第二亮的恒星是老人星,絕對星等是?5.53,比太陽亮了14,000倍。盡管老人星實質(zhì)上比天狼星要亮許多,但是看起來是天狼星比較亮,這是因為天狼星與地球的距離是8.6光年,而老人星遠了許多,與地球的距離是310光年。
在2006年,絕對星等最亮的恒星是LBV 1806-20,亮度是?14.2等,至少比太陽亮約5,000,000倍 。最暗淡的恒星則是在NGC 6397星團內(nèi)的一顆,在星團內(nèi)的這顆紅矮星絕對星等為+26等,同時最暗的白矮星光度是+28等。如此黯淡的光度相當于從地球上觀看一枝在月球上點亮的生日蠟燭 。
分類
目前所用的恒星分類系統(tǒng)源起于20世紀初期,當時是以氫的譜線從A排列至Q ,那時還不知道溫度是影響譜線最主要的因素,而當依照溫度重新排列時,就與現(xiàn)在使用的完全一致了 。
根據(jù)恒星光譜的差異,以不同的單一字母來表示類型, O 型是溫度最高的,到了 M 型,溫度已經(jīng)低至分子可能存在于恒星的大氣層內(nèi)。依據(jù)溫度由高至低,主要的類型為:O、B、A、F、G、K和M,各種各樣罕見的光譜類型還有特殊的分類。最常見的特殊類型是L和T,是溫度最低的低質(zhì)量恒星和褐矮星。每個字母還以數(shù)字從0至9,以溫度遞減再分為10個細分類。然而,這個系統(tǒng)在極端高溫的一端仍不完整:迄今還沒有被分類為O0和O1的恒星 。
另一方面,也發(fā)現(xiàn)恒星的譜線恒星可以根據(jù)光度作用再分類,這對應到它們在空間的大小和表面的引力。它們的范圍從0(超巨星)經(jīng)過III"(巨星)到V(主序帶矮星)和VII(白矮星)。大部分的恒星都屬于主序帶,這是在絕對星等和光譜圖(赫羅圖)的對角線上窄而長的范圍,包含在其中的都是進行氫燃燒的恒星 。我們的太陽是主序帶上分類為 G2V 的黃色矮星,是一般平常的大小和溫度中等的恒星。太陽被作為恒星的典型樣本,并非因為它很特別,只因它是離我們最近的恒星,且其它恒星的許多特征都能以太陽作為一個單位來加之比較。
附加于光譜類型之后的小寫字母可以顯示出光譜的特殊性質(zhì)。例如,“e”表示有發(fā)射譜線,“m”代表金屬的強度異常,“var”意味著光譜的類型會改變 。
白矮星有自己專屬的分類,均以字母D為首,再依據(jù)光譜中最明顯的譜線特征細分為DA、DB、DC、DO、DZ、和DQ,還可以附隨一個依據(jù)溫度索引的數(shù)值 。
變星
外型不對稱的米拉是一顆脹縮型的變星。NASA哈勃太空望遠鏡的影像
變星是因為內(nèi)部或外在的原因,造成光度周期性或任意變化的恒星。內(nèi)在原因的變星,主要的類型可以被分入三個主要的群組。
在恒星演化的期間,有些恒星會經(jīng)過脹縮型變星的階段。脹縮型變星會隨著時間改變半徑和亮度,根據(jù)恒星的大小,膨脹和收縮的周期可以從數(shù)分鐘到數(shù)年。這些類型包括造父變星和類造父變星、長周期的米拉變星 。
激變星可能是由于閃光或質(zhì)量的拋射,光度突然間增加的變星 。這一群包括原恒星、沃爾夫-拉葉星和閃光星,并且都是巨星和超巨星。
巨變或爆炸的變星進行的是驚天動地的變化,這一群包括新星和超新星。擁有一顆鄰近白矮星的聯(lián)星系可能會導致這一類型中壯觀爆炸的某種類型,包括新星和Ia超新星。當白矮星從伴星吸積氫時,會使質(zhì)量增加導致氫進行核聚變 。有些新星會一再的爆發(fā),還具有周期性和適度的強度 。
恒星也會因為外在的因素造成光度的變化,像是食雙星,還有極端的情形是由恒星自轉(zhuǎn)導致星斑造成變光 。值得一提的食變星例子是大陵五,它在2.87天的周期中,光度規(guī)則的在2.3至3.5等之間變化著。
結(jié)構(gòu)
一顆穩(wěn)定的恒星內(nèi)部是在流體靜力平衡的狀態(tài)下:在任何一個小體積內(nèi)的力量相互之間幾乎確定都是完全平衡的。平衡的力是向內(nèi)的萬有引力和恒星內(nèi)部由于壓力梯度產(chǎn)生向外的壓力。壓力梯度是由等離子體體的溫差建立的,因為外面的部分溫度會比內(nèi)部核心的低。主序星或巨星的核心溫度至少有10 K,這樣的溫度在主序列恒星的核心要燃燒氫進行核聚變反應是綽綽有余的,并且能產(chǎn)生足夠的能量防止恒星進一部的崩潰。 。
在核心的原子核聚變時,產(chǎn)生的能量會以γ射線輻射出去。這些光子與包圍在周圍的等離子體體相互作用,增加了核心的溫度。在主序代的恒星將氫轉(zhuǎn)換成氦,緩慢但是穩(wěn)定的增加核心內(nèi)氦的比率。最后,氦成為核心最主要的成分,并且核心不再產(chǎn)生能量。取代的是,質(zhì)量大于0.4太陽質(zhì)量的恒星,核聚變慢慢的在包圍著氦核心的氫殼層擴展開來 。
除了流體靜力平衡之外,在穩(wěn)定的恒星內(nèi)部也要維持著熱平衡的能量平衡。在內(nèi)部的輻射溫度梯度造成熱能向外流動。在任何一層向外流出的能量,與鄰接其下方那一層向外傳送的能量是完全相等的。
這張圖顯示太陽類型恒星的剖面結(jié)構(gòu)。
輻射層是在恒星內(nèi)部能以輻射充分且有效率傳送能量的區(qū)域,在這個區(qū)域內(nèi)等離子體沒有任何的擾動,也不會任何質(zhì)量的運動。如果不是這樣,等離子體就會變得不穩(wěn)定,并且開始產(chǎn)生對流運動成為對流層。這種情況很可能發(fā)生,例如,在某一個區(qū)域產(chǎn)生了非常高的能量流動,例如在核心區(qū)域或在外面非常不透明的包層附近 。
主序帶上的恒星能否在外面的包層產(chǎn)生對流,主要取決于恒星的質(zhì)量。質(zhì)量是太陽數(shù)倍的恒星有著深入恒星內(nèi)部的對流層而輻射層在外面。較小的恒星,像太陽這樣的則正好相反,是對流層在外面 。紅矮星的質(zhì)量低于0.4太陽質(zhì)量,整個都是對流層,阻止了氦在核心堆積成氦核 多數(shù)恒星的對流層都會隨著恒星老化而改變內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和發(fā)生變化 。
恒星能夠讓觀測者看見的部分是光球?qū)?,這是恒星的等離子體體變得透明可以用光子傳送能量的一層。在此處,從核心傳遞過來的能量變成可以自由進入太空中的光子,因此在光球?qū)由系奶柡谧?,或是溫度低于平均值的區(qū)域,就會出現(xiàn)。
在光球?qū)又鲜呛阈谴髿鈱?。像太陽這種在主序帶上的恒星,最低層的大氣是色球?qū)?,針狀體和閃焰會出現(xiàn)在這兒。包圍在外面的是過渡區(qū),溫度在不到100公里的距離內(nèi)很快的竄升,在上面就是日冕,由大量高熱的等離子體體組成,巨大的體積可以向外伸展出數(shù)百萬公里 。日冕的存在看來是依靠著恒星外面數(shù)層的對流區(qū)域 。盡管它的溫度很高,日冕只發(fā)出微弱的光。太陽的日冕平常只有在日全食的時候才能看見。.
從日冕吹出的恒星風是來自恒星的等離子體質(zhì)點,會繼續(xù)向外擴張直至遭遇到星際物質(zhì)。對太陽而言,受到太陽風擴張影響所及的氣泡狀范圍稱為太陽圈 。
核聚變反應路徑
質(zhì)子-質(zhì)子鏈的回顧
碳氮氧循環(huán)
做為恒星核合成的一部分,依據(jù)恒星的質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu),在核心內(nèi)會發(fā)生各種不同的核聚變反應。原子在融合后的凈質(zhì)量會略小于融合前的原子質(zhì)量總和,這些失去的質(zhì)量,依照質(zhì)能等價的關系: E = mc 2.,被轉(zhuǎn)換成能量。
氫聚變的反應對溫度極端敏感,所以核心的溫度只要有少量的改變,反應速率就會有明顯的變化結(jié)果。主序星的核心溫度可以從質(zhì)量最低的M型恒星的400萬K到大質(zhì)量的O型恒星的4,000萬K. 。
在太陽,核心溫度是1,000萬K,氫進行的是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應 :
這些反應的總體結(jié)果是:
此處e 是正電子,γ是伽馬射線的光子,ν e 是中微子,而H和He各自是氫和氦的同位素。在這些反應中釋放出的能量單位為百電子伏特。實際上這只是一種很微小的能量單位,然而,每次的反應都有極大數(shù)量的原子參予,導致所有的能量累積能達到恒星輻射的輸出。
在質(zhì)量更大的恒星,氦可以經(jīng)由碳氮氧循環(huán)的反應產(chǎn)生 。
從0.5至10倍太陽質(zhì)量的恒星,核心的溫度演化至一億度時,氦可以進行3氦過程,經(jīng)由中間物質(zhì)鈹轉(zhuǎn)換成碳 :
整體的反應式是:
在大質(zhì)量的恒星,更重的元素在核心收縮后可以經(jīng)由氖燃燒過程和氧燃燒過程產(chǎn)生。恒星核合成的最終階段是硅燃燒過程,結(jié)果是產(chǎn)生穩(wěn)定的同位素鐵-56。而除了經(jīng)由吸熱過程,核聚變也不能繼續(xù)產(chǎn)生新的元素,所以未來只能經(jīng)由引力坍縮來產(chǎn)生進一步的能量 。
下面的例子顯示質(zhì)量為太陽20倍的恒星消耗掉所有的核燃料所需要的時間。在主序帶上的O型恒星,半徑約為太陽的8倍,發(fā)光度是太陽的62,000倍 。
相關條目
一般條目恒星類型恒星的終結(jié)時間和導航其他
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