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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 第十一章 恒星宇宙 2
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:36:23 2003)

星的本性

    赛奇（Secchi）神父约于1867年在罗马提出一个按怛星的光谱分类的方法，哈佛天文

台又加以很大的改进与扩充。星的颜色在肉眼看去已有差别。由于照相对于光谱紫色的一

端比较灵敏，以照相法求得的星等，与肉眼估计的并不相同，其间的差异成为星色的一种

量度方法。这些差异也表现在各种恒星的光谱里。在这些恒星的光谱里可以寻找出一系列

的谱线，不知不觉地逐渐过渡，而表现出各类恒星的特性，哈佛大学以O，B，A，F，G，K

，M，N，R 去区别它们，这序列里前面的是比较蓝色的星。

    O型星的光谱，在暗的连续背景上，出现若干明线。在有些光谱里，氢与氦的谱线很强

。B型星的光谱呈现暗线，氦线十分显著。A型光谱中有氢谱线、还有钙和其他金属谱线，

在F型光谱中，后面这些谱线加强。G型星包括太阳，呈黄色，其光谱在明亮背景上呈现暗

线。碳氢化合物的谱线第一次出现于K型星中。M型星呈现宽的吸收谱带，特别是氧化钛的

谱带。N型星呈红色，其光谱有一氧化碳和氰（CN）的宽谱带。R型星虽不如N型那样红，但

也有N型里的那些吸收谱带。

    这种关于光谱的观察，被用来估计各型恒星的有效温度。如果将一个黑体（它可以看

做完全的辐射体）渐渐增高温度，则其辐射的特性与强度也逐渐改变。就每一温度而言，

辐射能量与波长有一特殊的曲线关系，在某一特定波长上达到最大值。随着温度增高，这

一最大值的位置向光谱的蓝端移动，因而可以说明温度。人们还用几种方法对能量的分布

加以研究，例如采用照相法及研究辐射特性的变更等方法。不但如此，温度和电离对于光

谱的影响，还可以在我们所能控制的范围内，在实验室里加以研究。萨哈（Saha）在1920

年、福勒（R.H．Fowler）和米尔恩（E．A．Milne）在1923年都曾经利用恒星光谱中若干

吸收谱线的形态，来估计起吸收作用的原子的温度。

    各种估计巨星温度的方法所得的结果，颇能互相吻合。则可看见的星大约是1650度，

已知最热的星达23000度。这些当然是辐射表皮层的温度。星的内部必然较外层为热，其温

度可达几千万度。

    上面讨论绝对星等时，我们说过，大多数的恒星分为“巨星”和“矮星”两大类，前

者光度比较后者大得多，可是也有一些中等光度的星。但可以注意之点是：这一分类只有

对于K型星以下较冷的星（温度不超过4000度）才显著。对于较热的星，分类便不显著，及

至B型星就完全混淆莫辨了。这些恒星都是巨星，其光度都是太阳的40至1600倍。

    这些事实被人认为指明了一个确定的结论：即所有的恒星都经过一个大体相同的演化

过程。每颗恒星最初是一较冷的物体，嗣后温度渐渐增高，而达到最高温度（视其大小而

定），然后再渐趋冷却，温度渐次下降，经历一个相反的过程。

    当恒星温度升高时，它发出大量的光，这意味着它的体积很大，因而归类为“巨星”

。但当其冷却时，它的大气在温度方面经历一个与以前相反的过程，在冷却时所经过的光

谱型，虽然在细节上略有差异；但大体上与温度升高时期所经过的相同。然而这颗星现在

的绝对星等，换言之即其光度，却比较以前小得多了。既然这时温度与以前上升时期相同

，这一事实就表示这颗星的体积较前为小，遂成为“矮星”了。

    这是罗素所阐述的恒星演化过程，与勒恩和利特尔（Ritter）所阐明的互相吸引的气

体团的动力学相符合。如果这团气的质量够大，则重力必定使它收缩。它将放出热量而变

热。但当其收缩时，其收缩的速率必逐渐减少。到了某一临界密度时，这一庞大的炽热气

团所生的热量，将小于其所辐射的热量，于是这团物质开始冷却。我们在讨论太阳的年龄

时说过，这过程不能解释其所放出的全部热量，那时已经认为或有他种能量的来源（如原

子的蜕变）取决于温度，并经过一种相似的过程。

    这个恒星演化的理论，已经根据最近的研究加以修正，而将原子结构的新知识应用于

天体物理学。人类靠了他处在原子与恒星中间的有利位置，可以利用由一方所得的知识，

作为研究另一方的参考。

    已知太阳或任何一颗星的大小与平均密度，并假定其整体都是气体，就可以计算其表

面下压力随深度而增加的变率，爱丁顿便做了这个计算。对于气体的恒星，爱丁顿发现光

度主要随质量而变化，在某些限度内，光度粗略地与质量成正比例。在恒星里任一层，其

上面的压力，为下面气体的弹力和辐射的压力所支撑。据分子运动论，气体的弹性，是由

于气体分子的碰撞造成的，而气体分子的速度随温度而变化。要支持太阳或其类似的恒星

内部的巨大压力，则其温度当达四千万度至五千万度的数量级。如有一星比这个大得多，

据爱丁顿推算，其内部的辐射压必至过大，致使它变成不稳定，而趋于爆裂。这样，星的

大小有一自然的上限。

    恒星内部的一个区域，甚至一大区域，实际是一个恒温的包亮，其总辐射按绝对温度

的四乘方而改变。当温度增高时，在光谱上能量最大的辐射，按已知定律，逐渐变为波长

较短的波。当温度高达数百万度时，则其最大能量便远远超过可见光谱的波段，而至X射线

或波长更短的辐射区域，但这些辐射，在其行至恒星外层的途程中，不断地受到原子的碰

撞与作用，因而变成波长较长的辐射，最后仍以光和热的形式发出。但有一引人注意的事

实：即富有极大穿透力的射线（即“宇宙线”），已经为麦克伦南（McLennan）、米利根

、科赫斯特等人所发现，这些射线，虽然份量很小，好象经过我们的大气，而来自空间。

秦斯说：“在某一意义上，这种辐射是整个宇宙里最基本的物理现象，空间的大部区域合

这种辐射远较可见光和热为多。我们的身体日夜被它穿过，……它破坏我们体内的原子每

秒达数百万个。这可能是生命的要素，也可能在杀害我们”。有人说这种富穿透力的辐射

是质子和电子互相湮灭时，或者氢聚合为重原子时所发出的，地点可能是在星云或空间里

极度稀薄的物质里，因为由那里所射出的能量无须费力就可以穿过覆在恒星外部的物质。


    我们知道X射线和穿透性更大的Y射线是极有效的电离剂。所以星内的原子当是高度电

离的，即其外部电子都被剥夺了的；这个概念于1917年为秦斯所倡导，以后更为许多人研

究。一个普通原子所占有的体积，即别的原子不能贯穿的体积，就是这些外部电子的轨道

所占有的体积。如其外部电子遭到剥夺，则这原子的有效体积必大为减小，实际成为原子

核与其最近电子环（其轨道较外部电子的轨道小得多）的体积。结果，恒星内部的原子既

然小得多，则其相互干扰也必远较我们实验室的为小；因而恒星物质虽在高密度下，其性

质也象“理想气体”，而遵守波义耳定律。

    假设恒星是气体的，则我们可以数学计算一颗星的质量与其所发的光和热之量的关系

，换言之，即可知其光度为何。1924年，爱丁顿算得星的质量愈大则其辐射也愈大。他求

得一个理论的关系，而且在把一个数字因子调整以后，使这个关系确与事实符合。就是对

于某些恒星，这个公式也是适用的。因其密度很大，在1924 年以前人们还认为它们是液体

或固体的，而且以为这一理论不适用于它们。但爱丁顿认为，较水重的太阳，以及较铁重

的其他恒星，实际上都是气体；因其电子已被剥夺，所以这些恒星的原子体积较小，在大

部时间内，彼此不相接近。

    而且一个新发现使密度的可能范围更加扩大了。1844年，贝塞耳发现天空最亮的天狼

星运行在椭圆轨道上，于是他假设有一伴星围绕天狼星运行，其质量约为太阳的4／5。十

八年后，这颗星为克拉克（Alvan Clark）所发现；用现代望远镜不难看见这颗星，其所发

的光约为太阳的1／360。当时曾认为这颗星是红热的、一个行将没落的星。亚当斯在威尔

逊山查得这颗星并非红热而是白热的。其所发的总光量很小，是由于其体积很小；它不比

地球大很多。从这个大的质量与小的体积，得知其密度约为每立方英寸一吨，这是一个骇

人听闻的结果，在当时认为是不可信的。

    但是不久新的证据出现了。根据爱因斯坦的理论，物体发出辐射的频率，应随其质量

和体积而不同；因此谱线应按半径除质量的比例向红端移动。亚当斯测量了天狼伴星的光

谱，也得着相同的高密度，约为铂的密度的两千倍。现在更发现另外几颗星，密度与此相

似或更大。秦斯认为这些星中的物质不再是气体，而与液体相近了。其原子很可能只余下

原子核，甚至其最内层的电子也被剥夺。比较正常的星，如天狼星与太阳，可能为核外剩

有一层电子的原子所组成。所以根据原子结构的理论，我们就可以解释这一事实：恒星分

为明显的几类，而且每一类仅包括某些体积限度内的恒星。在那样高的温度下，地上的原

子将会完全破裂。要维持这些不同的体积，恒星内部未知的深度的原子必较我们熟悉的地

球上的原子为重，而类似地球上的原子的较轻的原子，必浮在表面，而成为辐射的表层。


    有三个方法可以估计恒星的年龄：（1）双星的轨道最初应为圆形，以后受到过路星的

引力的影响，而逐渐变形，这种影响的可能频率可以计算，因而由轨道的实际形状，可以

计算恒星的可能年龄。（2）明亮的星所组成的星团在空间运动时，逐渐失掉其小的成员，

造成这些观察到的分散情况所必需的时间，是可以计算的。（3）恒星的运动能量，也如气

体分子一样，必定有达到平均分配的趋势；西尔斯（Seares）测得太阳附近的恒星差不多

已经达到这个阶段。由分子运动论，可以计算产生这种动能平均分配状况所需的时间。这

三种方法都一致表明，我们的星系中恒星的平均年龄可能是5万亿至10万亿（5至10×10[1
2
]年。

要维持这样长久的生命，必需大量辐射能量的供给，数量之巨，远非引力的收缩，或放射

性物质所能解释的。爱因斯坦的理论很自然地引导人们形成一个观念：这种能量的来源可

能是由于阳性质子与阴性电子的相互湮灭，这是1904年秦斯用来解释放射物的能量的说法

。这理论已经详细地完成。可以肯定，恒星在不断损失质量。辐射造成定量的压力，因而

具有一个可以计算的动量，即质量与速度的乘积。太阳表面每平方英寸辐射出50马力，这

说明整个太阳每天损失质量3600万万吨，而质子与电子的相互湮灭可说明这种损失发生的

机制。太阳在其体积更大、年龄更轻时，其质量的损失必当更速，于是我们可以给与太阳

年龄以一个上限，大约是8万亿（8×1012）年。这与其他方法所估计的恒星年龄相符合，

但根据以后的研究来看又是可怀疑的。


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