天空的樂韻：天體的來朧去脈
??！耐心的星星，教給我你們的心境，
你們每晚都攀上這古老的天空，
不留空白，不留陰影，不留傷痕，
也沒有年齡的蹤跡和對死亡的驚恐。
——愛默生
原始宇宙基本上由氫原子和氦原子組成。除了這兩種較輕的原子外，宇宙中還存在極少量較輕的原子。這些原子的原子核是在宇宙演化的較早時期產(chǎn)生的。其他較重的原子核無法在早期宇宙的環(huán)境中產(chǎn)生，它們是在恒星演化的過程中產(chǎn)生的，更重的原子核則必須在恒星演化的晚期通過超新星爆發(fā)而產(chǎn)生。
在各種天體形成之前，宇宙物質(zhì)是均勻的。后來，物質(zhì)的密度出現(xiàn)了一些小的起伏。隨著宇宙的膨脹，密度較大的區(qū)域會在自身引力的作用下收縮而形成更緊密的集團。隨著收縮過程的進展，中心區(qū)域的密度逐漸地增大。由于中心區(qū)域的密度較大，粒子之間相互接觸的機會就更多，因此，在那里的物質(zhì)就會有更多的機會集聚起來，形成一團一團比周圍稍微密集一些的氣團。當然，在物質(zhì)集團內(nèi)的別的地方，物質(zhì)團塊的這種小規(guī)模的集聚也是可以發(fā)生的。我們把這樣形成的氣團叫做星云，它們是恒星的發(fā)源地。星云可以分為兩種類型：第一類星云中的氫完全電離，溫度在10000K左右，稱為電離氫云；第二類星云的溫度較低，只有100K左右，其中的氫并未電離，稱為中性氫云。由于溫度低有利于物質(zhì)的凝聚，因此，能夠形成恒星的星云都是中性氫云。
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點燃星系的火焰 NGC4214星系距地球約1300萬光年，當前正用它的星際氣體和塵埃創(chuàng)造新的恒星和星團。 |
如果在星云內(nèi)的某個地方粒子偶然地聚集得更加緊密，這個地方就成為一個引力中心。由于引力的特性，其他地方的粒子將受到一個指向引力中心的吸引力，這個吸引力比來自別的方向的吸引力更強。于是，粒子就有了一種運動的傾向性，傾向于朝著物質(zhì)更加密集的位置下落。我們把這種由于萬有引力的作用而向引力中心匯聚的過程叫做引力塌縮。
最基礎的物理學規(guī)律告訴我們，當一個粒子受到萬有引力的作用時，它就具有引力能。粒子離開引力中心越遠，所具有的引力能就越大。于是，當粒子朝向引力中心下落時，就會將多出的一部分引力能交出來。由于能量守恒，交出的引力能必定轉(zhuǎn)變成其他形式的能量。留意一下地面附近物體的下落，我們就會知道，粒子在下落的過程中交出的引力能必定會轉(zhuǎn)變成它的運動動能。當然，在星云的內(nèi)部，丟失的引力能中還有一部分會以電磁波的形式輻射出去。
隨著引力中心聚集的物質(zhì)越來越多，在一個確定的位置處，粒子所獲得的加速度和下落速度就會越來越大；另一方面，粒子離開引力中心越近，所獲得的速率也就越大。這樣，落向引力中心的粒子之間的碰撞就會劇烈起來，碰撞過程會將粒子的運動動能轉(zhuǎn)變成熱能。這就是說，引力中心區(qū)的溫度會越來越高，那里熱起來了。
在一團具有一定溫度的氣體中，每一個粒子都會受到來自四面八方的粒子的碰撞，這種碰撞在宏觀上表現(xiàn)為熱壓力。溫度越高，密度越大，熱壓力就越大。由于星云中心區(qū)域的溫度和密度都比外圍的高，因此，對一個粒子來說，來自內(nèi)外兩側(cè)的壓力就有差別。壓力的這種差異使粒子感受到一個與引力方向相反的推力，它能夠抵消由引力產(chǎn)生的向內(nèi)的下落，使收縮減緩下來。
當原始星云開始收縮時，過程會進行得很快。在這個階段，由于物質(zhì)密度較低，熱比較容易散失，熱壓力無法與引力抗衡，因此，物質(zhì)急速內(nèi)聚。由于這個原因，星云中心區(qū)的密度迅速增高，熱開始變得不那么容易散失了，于是，星云的溫度迅速提高。當中心區(qū)域的溫度達到2000K時，那里的氫分子開始離解成氫原子，吸收了大量的熱，熱壓力驟然下降。于是，星云的中心區(qū)域便收縮成體積更小、密度更大的內(nèi)核。收縮過程釋放出巨大的能量，形成一股速率高達每秒幾百千米的強大的星風，阻止了星云外圍的物質(zhì)進一步下落，并且在大約1萬年到10萬年內(nèi)將周邊的物質(zhì)逐漸驅(qū)散，星云的內(nèi)核漸漸顯露出來。我們把這個內(nèi)核叫做原恒星，它還不是一顆真正意義上的恒星。由于溫度并不是太高，因此，它的顏色是紅的。
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飛逝的雄鷹 新生的恒星正在鷹狀星云中形成。圖中被新生恒星驅(qū)散的氣體正從柱狀氫云和塵埃云的內(nèi)部顯露出來。這些巨大的柱狀云長達數(shù)光年，內(nèi)部的密度極高，恒星就在這些高密度的氣體中形成。在柱狀云的末端，新生恒星的強烈輻射使低密度的氣體翻騰跳躍，逃離致密的恒星溫床。鷹狀星云位于開放星團M16內(nèi)，距離地球7000光年 |
進一步的收縮將導致星云的中心區(qū)域變得越來越熱，顏色由紅變黃或變白。當中心區(qū)域的溫度升高到約700萬度時，奇跡出現(xiàn)了！這是一件對我們來說具有重大意義的事情。700萬度，這是氫聚變?yōu)楹さ狞c火溫度，熱核反應開始了。星云內(nèi)的氫原子核開始通過一連串的聚變反應生成氦原子核，釋放出巨大的能量，這些能量主要以光和熱的形式表現(xiàn)出來。這時，星云的溫度迅速升高到1000萬度以上，由此引起的熱壓力足以抗衡星云自身的強大的引力。于是，星云不再收縮，內(nèi)部的物質(zhì)達到了平衡狀態(tài)，星云轉(zhuǎn)變成一顆穩(wěn)定的恒星。此后，恒星完全用內(nèi)部的熱核反應所釋放的能量來維持自身的光和熱的輻射。恒星進入了它的成年期，這就是主序星階段。
主序星階段是恒星演化過程中停留時間最長的階段，正是由于這個原因，我們在天空中看到的恒星大多數(shù)是主序星。
從星云誕生之日起，到它逐漸演化為一顆穩(wěn)定的恒星，需要耗費多長的時間呢？這與星云的質(zhì)量密切相關。星云的質(zhì)量越大，自身的引力就越強，演化到主序星階段的過程就越快。一顆像太陽大小的恒星，它的早期演化階段需要40萬年左右；而一顆質(zhì)量比太陽大五倍的恒星，它的幼年期只有幾萬年；如果恒星的質(zhì)量只有太陽的質(zhì)量的一半，就需要經(jīng)歷漫長的4億年才能進入它的成熟期。
在主序星階段，由于熱核反應維持著光和熱的輻射，恒星的基本性質(zhì)沒有太大的變化，這種狀況一直維持到中心區(qū)域的氫聚變?nèi)剂虾谋M為止。在這個階段，恒星的中心區(qū)域的氫聚變成氦的過程使氦核的數(shù)量不斷增加。當中心區(qū)域的氫基本上耗盡時，主序星階段將結(jié)束，恒星的性質(zhì)將發(fā)生明顯的變化。
恒星在主序星階段的性質(zhì)如何，能夠維持多長的時間，這主要取決于恒星的質(zhì)量。質(zhì)量比較大的恒星由于引力較強，需要有較高的溫度才能提供足以抗衡引力的熱壓力，因此，這些恒星的內(nèi)部溫度比較高，因而能夠以較快的速率燃燒它們的氫。一顆質(zhì)量為太陽質(zhì)量的幾十倍的恒星，它的主序星階段只能維持幾百萬年到幾千萬年，是一顆光度大、表面溫度高的藍巨星；質(zhì)量等于幾倍太陽質(zhì)量的恒星將成為一顆白色的或黃紅色的恒星，在主序星階段能夠維持幾十億年；我們的太陽是一顆黃矮星，有長達100多億年的壽命；質(zhì)量更小的恒星在主序星階段的光度就比較小、表面溫度也比較低，是一顆紅矮星，它們的壽命長達幾千億年到幾萬億年；質(zhì)量小于十分之一太陽質(zhì)量的星云，由于自身的引力小，中心溫度還未達到氫核聚變的條件就停止收縮而穩(wěn)定下來，此后，它們將繼續(xù)緩慢地收縮，并且將引力能釋放出來，最后成為一顆黑矮星。
當恒星的中心區(qū)域的氫基本上耗盡之后，氫聚變反應所提供的能量已經(jīng)不足以維持光和熱的輻射，核心部分的熱壓力就抵擋不住它自身強大的引力了，這時，恒星整體開始迅速收縮。收縮過程使溫度上升，最終使中心區(qū)域的外圍開始氫聚變成氦的反應而穩(wěn)定下來。在中心區(qū)域，由于沒有足夠的熱壓力，物質(zhì)將繼續(xù)收縮，同時釋放出巨大的引力能，其中有一部分用來提高核心部分的溫度，另一部分則使繼續(xù)燃燒的外層膨脹，半徑擴大幾千倍。在這個階段，主序星將轉(zhuǎn)變成體積巨大，密度很小，表面溫度很低，但光度卻很大的紅巨星。如果恒星的質(zhì)量很大，這個階段就會轉(zhuǎn)變成紅超巨星。
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一顆紅超巨星 獵戶座a星：距離地球600光年。紅超巨星是恒星走近其生命終點的標志，是超新星的前身。這顆一等亮星是除太陽之外人類直接觀測到其表面的第一顆恒星。 |
當恒星的中心區(qū)域繼續(xù)收縮時，溫度有可能超過一億度，這時，新一輪的聚變反應開始了，三個氦核在這樣的高溫下將聚變成一個碳核。靠了這種反應所釋放的巨大的能量，恒星繼續(xù)維持著光和熱的輻射。當中心區(qū)域的氦也耗盡之后，它再次收縮，外層區(qū)域再次膨脹。結(jié)果，中心區(qū)域的溫度升得更高，表面溫度降得更低，成為一顆紅超巨星。此后，恒星加快了它的演化步伐，向著其生命的終點進發(fā)。這是恒星演化的終局，它的命運怎樣，將取決于恒星的質(zhì)量。
當恒星內(nèi)部的核燃料耗盡之后，維持平衡的熱壓力便消失了，中心區(qū)域?qū)⒃趶姶蟮囊ψ饔孟率湛s。當收縮到原來的半徑的幾十分之一時，物質(zhì)的密度如此之大，使得其中的電子處于一種叫做簡并態(tài)的狀態(tài)。電子處于這種狀態(tài)時，會出現(xiàn)一種叫做簡并壓力的力，這是一種量子效應，有時也叫做量子力學壓力或者量子交換力。
電子的量子力學壓力具有比熱壓力強大得多的力量，它能夠與強大的引力相抗衡。如果形成恒星的星云的質(zhì)量小于3倍太陽質(zhì)量，在這個時期，簡并電子壓力就會起到抗衡引力的作用，這時，恒星就達到新的穩(wěn)定狀態(tài)而不再收縮，只靠它剩余的熱發(fā)光。由簡并電子壓力維持穩(wěn)定的天體就叫做白矮星。恒星的中心區(qū)域需要有多大的質(zhì)量才會以白矮星告終呢？20世紀30年代，錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar，1910~1995)對這個問題做過深入的研究，得到的結(jié)果是：如果恒星的中心區(qū)域的質(zhì)量小于1.44倍太陽質(zhì)量，這顆恒星就有可能演化成一顆白矮星。通常將這個質(zhì)量上限叫做錢德拉塞卡極限。
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一顆白矮星 巨大的引力使恒星變成由原子核與自由電子構(gòu)成的高密球體，電子之間的量子交換力與引力抗衡使恒星穩(wěn)定下來。恒星將以白矮星的形式到達其生命的終點。 |
對于小質(zhì)量恒星，阻礙恒星進一步收縮的因素就是電子的量子力學壓力。但是，如果恒星的質(zhì)量足夠大，即使到達簡并電子壓力起顯著作用的階段，簡并電子壓力也無法抗衡引力的作用，恒星的內(nèi)核就會在自身強大的引力的作用下繼續(xù)收縮，并釋放出巨大的引力能，使外層氣體急劇膨脹，這就是超新星爆發(fā)。一顆質(zhì)量巨大的恒星最終將以超新星爆發(fā)的形式結(jié)束自己的生命。
超新星爆發(fā)是天體演化中的一個重要環(huán)節(jié)，它是恒星演化到其生命的終點時的一次輝煌的葬禮，同時又是新恒星誕生的原動力。一方面，超新星爆發(fā)產(chǎn)生的強大的沖擊波可能會引發(fā)附近的星云形成恒星；另一方面，超新星爆發(fā)的余燼也是形成別的天體（特別是行星）的重要原材料，因為只有在超新星爆發(fā)這種條件下，更重的元素才能被合成出來。所以，地球上的許多元素都來自那些早已毀滅的恒星。于是，恒星來之于“塵土”，又歸之于“塵土”，走完了它輝煌的一生。超新星爆發(fā)就是它最壯麗的“天鵝之歌”。
在超新星爆發(fā)的同時，恒星的內(nèi)核將由于巨大的反沖而被進一步壓縮，其中的電子的能量就有可能變得很大，這時，一個電子就會與一個質(zhì)子通過弱相互作用結(jié)合而變成一個中子：
這個過程叫做逆
當大量中子緊密地聚集在一起時，也會像電子一樣出現(xiàn)一種量子力學壓力，叫做中子簡并壓力。量子力學壓力是與粒子的質(zhì)量成正比的，因此，中子簡并壓力要比電子簡并壓力強大得多，能夠抗衡大質(zhì)量天體的強大的引力。于是，超新星爆發(fā)的殘骸靠著這種壓力維持在一個半徑很小的穩(wěn)定的狀態(tài)下，這就是所謂的“中子星”。
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超新星爆發(fā) 這是超新星遺跡船尾座A，它是夜空中最明亮的X射線源之一。強大的引力使恒星的內(nèi)核急劇塌縮，釋放的熱驅(qū)使外圍氣體急劇膨脹而形成超新星爆發(fā)。殘存的內(nèi)核無法靠電子的量子交換力抗衡強大的引力而塌縮，把電子壓進質(zhì)子內(nèi)，使恒星的整個內(nèi)核變成一個巨大的中子球。最后，中子之間的量子交換力將與引力抗衡使星體穩(wěn)定下來。 |
我們看到，在恒星演化的整個過程中，吸引力和排斥力之間的對抗是一對自始至終的矛盾。引力總是傾向于使物質(zhì)向引力中心匯聚，而斥力則傾向于使星體潰散。當引力與某種斥力達致平衡時，整個星體就會在一段時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。當引力的作用超過了這種斥力的作用，或者這種斥力失去了有效的作用時，引力總是引發(fā)出一輪新的競爭，然后，一種新的斥力又會與引力達致新的平衡，使星體進入一個新的相對穩(wěn)定的階段。恒星的演化過程就是這樣一個逐級交替的演變過程，其中萬有引力自始至終主導著整個演化過程，而排斥力則逐步升級，從熱核反應階段的熱壓力到白矮星階段的電子簡并壓力，最后到中子星階段的中子簡并壓力。
中子星是恒星演化的一種可能的終局，1967年，人類第一次觀測到這種天體。典型的中子星的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的兩倍，半徑則只有大約10千米。這樣巨大的質(zhì)量被壓縮在如此小的半徑內(nèi)，使得其中的物質(zhì)的密度與原子核的密度幾乎相同，達到每立方厘米一億噸以上。
如果恒星的質(zhì)量更大，比如說，大于30倍太陽質(zhì)量，那么，即使演化到中子星階段，也沒有任何壓力能夠抵擋住自身強大的引力。于是，恒星的內(nèi)核將在自身引力的作用下繼續(xù)塌縮到它的引力半徑以內(nèi)，這時，周圍的引力強得足以使光也無法掙脫束縛，恒星最終從我們的視線中消失而形成黑洞。
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黑洞 這是哈勃太空望遠鏡拍攝到的活動星系NGC 4438的核心。強烈的X射線顯示那里可能有一個巨大的黑洞。 |
黑洞本身雖然是黑的，但是，在引力半徑以外的任何物體一旦被它吸引過去，就要受到壓縮而被加熱，在落入黑洞的過程中將發(fā)出高能量的電磁波。這就為觀測黑洞的存在提供了一個很好的方法。此外，根據(jù)廣義相對論，在引力塌縮的過程中，天體必定發(fā)出引力波，可以利用這種現(xiàn)象在地球上檢測引力塌縮（或者超新星爆發(fā)）過程，從而確認黑洞的存在。
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恒星的一生 發(fā)射星云 NGC3603的邊緣：這張照片包含了恒星從誕生到衰亡各個階段的代表性天體。在照片的右邊發(fā)亮的區(qū)域是新生恒星顯露的標記；右上角的暗云很可能是塵埃云坍縮前的一部分；在照片中間有一團恒星發(fā)出耀眼的藍光，星風和紫外線驅(qū)散了周圍的塵埃；在這團恒星的左上方，有一個閃亮的光環(huán)包圍著一個光點，這很可能是一顆超新星； | ||||
| 在星團的下方有兩顆淚珠狀的物體，很像形成行星前身的云盤。 | |||
我們對恒星的起源和演化做了一個比較詳盡然而又是完全定性的說明，實際的演化過程要比以上簡化的圖象復雜得多。
我們已經(jīng)認識了夜空中大多數(shù)天體的來龍去脈。可是，與我們關系最密切的天體——地球，她是怎樣誕生和演變的呢？這是我們最關心的問題，因為有關她的一切，都與我們的生活息息相關。因此，我們的這個宇宙漫游計劃的下一站將是我們自己的行星。我們將探討她的起源、她的演變歷史、她的面貌、以及人類為了認識她所付出的努力。
