Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第四章　从黎明到黄昏 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:18:29 星期天), 站内信件

  　恒星的诞生

    像雨一样，恒星也是气体云中凝聚成的微滴。但是，如果把太空中的条件与地
球上相比，就可以说恒星几乎是从虚无中产生出来的。我们所呼吸的空气，每立方
厘米中有3000亿亿个原子，两星际云每立方厘米只有几十个原子。数百光年范围的
星际云物质才够组成几千个太阳。星际云的化学成分也与空气不同，每16个红原子
（常构成分子）对1个氦原子，另外还有微量的更复杂原子，如碳、氮和铁。

    星际云不仅稀薄，而且很冷，最高为开氏100度（开氏度是相对于绝对零度来
量度的温度，绝对零度是理论上的最低可能温度，等于摄氏一273度，开氏

    100度因此就是摄氏零下173度）。这种气体云将无限期地保持稳定在这样一种
状态上，即决定其平均温度的原子运动，与企图把原子拉到～起的引力相平衡，因
此，只有在星际云受到抗动时，恒星微滴才能凝聚出来。

    有几种机制能使星际云浓缩并己践恒星的诞生。在所谓旋涡星系里，恒星集中
在由星系中心孩球伸出的巨大旋臂上，旋臂绕着核球缓慢转动。太阳座落在猎户座
旋臂上，绕银河系中心转一周的时间是二亿年。由于这些旋转的臂运送着物质，它
们就在星际介质中传播着一个密度超出，因而导致星际云的收缩并引发恒星形成。


    另一个恒星形成模型是以这样一个美妙的主意为基础的，即一颗星的诞生或死
亡会对大量新恒星的凝聚过程起催化作用。一颗恒星在星际云的中心诞生了，它的
强烈辐射就会加热和压缩星际云的外部区域，造成一种凝聚的"传染"。一颗大恒星
以超新星形式（见第6章）完成的激变式的死亡也有类似的效应：这颗星的碎片以
每秒数万公里的速度推进，沿途冲撞，把星际云转变成许多新恒星。

    星际云一旦开始浓缩，就变成不透明的。这时它停止吸收别的恒星的光，并冷
却到几乎绝对零度。云中的原子运动慢到几乎要冻结，它们的相互引力压倒了内部
热运动，而云中物质的分布总是不完全均匀的，总有一些小团块，其中的原子比周
围多几个；也有一些空洞，那里少了几个原子。物质产生引力，每个团块周围的引
力场就比较强。这种不平衡的引力就把周围那些很冷因而运动得很慢的原子拉过来
，捕获的原子又使引力进一步增强，团块就这样变成了更紧密的球，其大小有数十
亿公里，含有几个恒星的质量。

    在这个阶段，一种关键的机制，即所谓金斯不稳定性，变得重要了：在弥散物
质中，一个局部的密度峰在超过某一临界质量时会变得不稳定。这个峰于是与其余
物质分离，并形成一个稳定的、由自身引力维持在一起的系统。这正是上面所说的
球所发生的情况：它太冷了，不足以支撑自身的重量，于是它收缩，与星际云的其
他部分脱离。在它收缩时，中心的气体被压紧，压强、温度和密度都增大。变热的
气体开始辐射能量，原来黑暗的球现在发出了红光。

    一颗"星"就这样诞生了，但它还不能称为恒星，因为它没能辐射足够的能量以
支撑自己。这颗原恒星因而继续收缩，尽管是以慢得多的速率。只有当核心温度达
到1000万开氏度时，氢才开始通过热核反应而燃烧。这种新能量充满了原恒星的核
心，使它稳定下来。它现在成了一颗恒星。

    　火的抗争

    啊，太阳，是用烈火来争辩的时候了。

    　　　　　　　　　--归劳默·阿波里纳瑞（ Guolaume APOllinaire）

    在反抗引力的持久斗争中，恒星的主要武器是核能。它的核心就是一颗大核弹
，在那里不断地爆炸。正是因为这种核动力能自我调节得几乎精确地与引力平衡，
恒星才能在长达数十亿年的时间里保持稳定。

    热核反应发生在极高温度的原子核之间，因而涉及物质的基本结构。在太阳这
样的恒星中心，温度达到1500万开氏度，任强则为地球大气压的3000亿倍（地球大
气压是每平方厘米1千克重）。在这样的条件下，不仅原子失去了所有电子而只剩
下核，而且原子核的运动速度也是如此之高，以至于能够克服电排斥力而结合起来
，这就是核聚变。让我们进一步看看这是怎样发生的。

    恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。氢是最简单的化学元素
，它的原子核就是一个带正电荷的质子，还有一个带负电荷的电于绕核旋转。恒星
内部的温度高到使所有电子都与质子分离，而质子就像气体中的分子在所有方向上
运动。由于同种电荷互相排斥，质子就被一种电"盔甲"保护着，从而与其他质子保
持着距离。但是，在年轻恒星核心的1500万开氏度的高温下，质于运动得如此之快
，以至于当它们相互碰撞时就能够冲破"盔甲"而粘合在一起，而不是像橡皮球那样
再弹开。

    四个质子聚合，就成为一个氦核。氦是宇宙中第二位最丰富的元素（地球上的
氦已消失殆尽，它是一种稀有气体，可用来填充热气球。氦在恒星中产生并不是它
在宇宙中丰度很大的原因。绝大多数氦是在宇宙最初的几分钟里，和氢以及其他几
种轻元素一起形成的）。氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。这个质
量差只是总质量的一个很小部分（7浙），但是借助于爱因斯坦发现的质能等效性
，这一点质量损失可以转化为巨大的能量。l 千克氢变成氦时所释放的能量，与燃
烧200吨碳所产生的相同，足以使一只100瓦的灯泡长明100万年。太阳这样的恒星
有一个巨大的核，在那里当然不是1千克，而是每秒钟有6亿吨氢变成氦。巨大的核
能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。

    氢变成氨的反应有几种可能的途径，或称为反应链。最常见的是质子一质子链
（只需要氢核）和碳一氮一氧循环（一种用碳、氮、氧这些重元素作催化剂的闭合
链）。太阳的能量主要由质子工质子反应产生，而质量更大的恒星有更高温的核心
，更适于碳一氮一氧循环的进行。然而，即使在高温下，氢的燃烧速率还是很低的
，在质子一质子反应里，平均说来每个质子要等上140亿年才能与其他三个质子聚
合成一个氦核（对碳一氮一氧反应来说则"仅仅"是1300万年）。这个"天文"时间解
释了为什么恒星停留在核燃烧状态如此之久，也表明了恒星核心氢原子核数量之巨
大。

    1945年7月16日，在美国新墨西哥州的阿拉莫果多，第一颗人造原子弹爆炸了
。但这是一颗裂变炸弹，与恒星里的不同，核能量是通过把比质子重很多的核分裂
而释放出来的。后来的氢弹才是利用质子聚变，从而更逼真地模仿了恒星。然而与
恒星的相似也只此而已，二者核反应的详细过程是不同的。氢弹里的质子不需要等
候一百多亿年才能聚合，链反应所必需的成分是由外部提供的，而在恒星核心则是
以很低的速率产生出来。

    但是，最重要的是，人类还不能控制氢聚变，从而用之于和平目的。我们还不
知道怎样建造一个能够承受反应所需的巨大压强和温度的容器。恒星能自然地造出
反应炉，而我们不能。恒星的巨大质量所产生的引力把质子限制在一个恰当的体积
内，这个巨型反应堆就稳定了，能量的产生得到了控制。

    　生命之路漫漫

    明亮的星啊，我愿像你一样坚定。

    　　　　　　　　　　　　　　　　 --约翰·济慈（JOhn Eeats）

    太阳中心释放的能量作为光子（光粒子）辐射出来，然而光子要经过漫长的路
程才能到达太阳表面并逃逸到行星际空间，在那里吹动若星的尾巴，加热行星的冰
冷外壳。与人们的直觉相反，虽然光子的速度将近30万公里／秒，而太阳的半径是
70万公里，从太阳中心发出的光子到达表面的时间却并不是2．3秒。平均说来那些
光子得花1000万年才能走完这段路程。我们在地球上现在收到的阳光，是8分钟前
离开太阳表面的，但是它从太阳核。已产生之时，猿类和早已灭绝的柱牙象还在非
洲行走，而非洲与欧亚大陆还不相连。

    理由很简单：光子在恒星内部并不沿直线运动，而是由于与无数电子的碰撞而
不断地改变路径（电子与质子同为恒星物质的主要成分）。假如太阳核心现在突然
熄灭，阳光在今后1000万年里仍将继续照亮地球。

    因此，恒星的生命历程极为规则。天空中的几乎所有星星，无论是用肉眼还是
用望远镜看到的，都是与太阳类似的恒星，它们的核心正熊熊燃烧着氢。这种极稳
定的状态长达恒星整个核反应寿命的四％，并被称为主序（见附录1）。我们的太
阳已经平静地处在主序态上50亿年了，不停地把它的氢转变成氦，它的生命之路正
好走了一半。

    　红色的赞美诗

    然而，太阳的"恒定"演化终将结束，熊熊烈火将变为余烬，并完全熄灭。当所
有的氢都变成了氦时，核心的火就没有燃料来维持，恒星在主序阶段的平静日子就
到了尽头，大动荡的时期来到了。

    一巨燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射压之间的平衡被打破，
引力占了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下收缩，压强、密度和温
度都随之升高，于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧，外壳开始膨胀（而核心区
在收缩）。

    通过自然界精巧的炼金术，许多元素都能由热核反应而变成别的元素。但是，
由于较重的核带有更多的正电荷，它们之间的相互排斥就比质子之间要强（质量越
大的原子，其核中的质子越多，电荷也就越多。原子核里还有一种不带电的粒子，
称为中子，见第6章）。相应地，重核就必须有非常高的速度才能克服电斥力而聚
合，也就是说，它们的转变需要的温度高于1500万开氏度。

    在1亿度的高温下，恒星核区的氨原子核能聚变成碳原子核，每3个氦核变成1
个碳核，碳核又能再捕获别的氦核而形成氧核。这些新反应的速度完全不同于缓慢
的氢聚变。它们像闪电一样快地突然起爆（故被称为"氦闪耀"），而恒星不得不尽
可能地相应调整自己的结构。大约经过100万年后，核能量的流出稳定下来。在此
后的几亿年里，恒星又得到暂时的平稳，核区的氦在消耗，而氢的燃烧则越来越向
更外层推进。但是，这个调整是要代价的，这时的恒星将膨胀得极大，远胜过寓言
里的怪物，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大10亿倍。在这个过
程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了下来。
这种状态的恒星称为红巨星。

    尽管表面温度很低，红巨星却极为明亮，因为它们的体积巨大。肉眼能看到的
最亮的星有许多是红巨星，参宿四、毕宿五、大角、心宿工，就是其中几例。太阳
自己也将在50记或60亿年里变成一个红色"巨兽"。当核心的氢燃完时，太阳就将开
始膨胀，距它20万公里的小行星水星将化为蒸气，金星的大气将被吹光，地球上的
海洋都将沸腾。然后太阳还会继续膨胀，并把地球吞没，因为太阳在其红巨星阶段
的最大半径将超过目前地球公转轨道半径（1．5亿公里）。地球那被烧焦的残骸将
继续在巨太阳灼热而极稀薄的大气里转圈子，红巨星外层物质的密度比地球实验室
里能得到的最好真空还要低得多。

--
※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.239.188]