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标  题: 第四章 恒星的末日
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月16日20:13:51 星期二), 站内信件


第四章 恒星的末日




    1987 年 2 月 23 日的夜晚，加拿大天文学家伊恩·谢尔顿( Ian Shelton
    )正在智利安第斯山上的拉斯坎珀纳斯天文台工作。他的智利籍夜间助手在
    户外走了一会儿，漫不经心地望了望黑暗的夜空。由于熟悉星空，他很快注
    意到一件不寻常的事。在大麦哲伦云( LMC )的明亮云块边上有一颗星，它
    并不特别亮，大约和猎户腰带上其他星的亮度差不多。引起他注意的是以前
    那里并没有这颗星。


    这位助手的发现引起了谢尔顿对这颗星的注意。在几小时内，谢尔顿和他的
    这位助手发现了一颗超新星的消息闪电似地传遍了整个世界。这是自 1604 
    年开普勒( Kepler )记录到超新星以来第一颗肉眼可见的这类天体。一些国
    家的天文学家马上把他们的望远镜对准了大麦哲伦云。随后几个月里，人们
    对超新星 1987A （译注：超新星以发现的年份加英文字母命名，英文字母A
    表示该年份发现的第一颗超新星）的变化作了最详尽的观测和记录。


    在谢尔顿的轰动性发现前几小时，在完全不同的另一个地方——日本神冈地
    下深锌矿里记录到了又一件不寻常的事件。那个地方一些物理学家正在雄心
    勃勃地实施一项长期实验，他们的目的是要测试一切物质的基本成分——质
    子的极限稳定性。 70 年代发展起来的一些理论预言，质子也许并不绝对稳
    定，它们偶而会衰变成某种异乎寻常的放射性变种。如果预言正确，那么这
    种现象对宇宙的命运将具有深远的意义。我们在以后会看到这一点。


    为测试质子衰变，日本实验学家在一个极大的容器中灌满了 2000 吨纯度极
    高的水，容器周围放置了一些高灵敏度的质子探测器。这些探测器的用途是
    要记录可能是由单个衰变事件的高速产物所引起的闪烁次数。为减少宇宙射
    线的影响，实验放在地下进行，不然的话探测器所记录到的就全是虚假事件
    了。


    1987 年 2 月 22 日，神冈探测器突然在 11 秒内触发了不下 11 次。在地
    球的另一侧，美国俄亥俄州一座盐矿里安装的一个类似的探测器也记录到了 
    8 次事件。因为 19 个质子的质量同时自行消失是不可思议的，这些事件必
    有另外的起因。物理学家很快找到了这个原因。他们的仪器所记录下的质子
    毁灭必定是由另一种更为普遍的过程造成的，这就是质子与中微子的碰撞。


    中微子是亚原子粒子，在我的故事中扮演着关键角色，所以值得先对它作一
    番较为详尽的了解。1931 年，沃尔夫冈·泡利( Wolfgan Pauli )在考察称
    为 β 衰变的放射性过程中首次推测有中微子存在。在一次典型的 β 衰变
    事件中，一个中子衰变成一个质子和一个电子。相对来说电子的质量很轻，
    却携带可观的能量。问题是，每次衰变事件产生的电子似乎有着不同的能量。
    因为在任何情况下可利用的总能量必然相同，于是看上去似乎末能量可以与
    初能量不同。这是不可能的，因为能量守恒是物理学的基本定律，所以泡利
    认为失去的能量被一种看不见的粒子带走了。所有企图捕获这种粒子的努力
    都告失败，于是人们开始清楚地认识到，如果存在这种粒子，那么它们必定
    具有惊人的穿透力。因为任何带电粒子很容易被物质所捕获，所以泡利粒子
    一定是电中性的，并由此取名为中微子。


    虽然当时没有人真正找到过中微子，理论学家却能推算出它的许多性质， 
    β 衰变事件常常会抛出一个带走近乎所有可用能量的电子，几乎什么能量
    也没留给中微子。这意味着中微子实际上能够以几乎为零能量的形式存在。
    按爱因斯坦的著名公式 E ＝mc2 ，能量 E 和质量 m 是等效的，所以零能
    量意味着零质量。这表明中微子可能是没有质量的，即一种以光速运动的无
    质量粒子。


    还有一个基本性质涉及到亚原子粒子的自旋方式。人们发现，中子、质子和
    电子总有自旋。这种自旋的大小有固定的值，而且事实上它对所有这 3 种
    粒子来说都是相同的。自旋是角动量的一种形式。与能量守恒定律一样，角
    动量守恒也是一条基本定律。一旦中子发生衰变，它的自旋必定保留在衰变
    产物中。自旋与能量不同，能量始终是相加的，而自旋则可加可减：如果两
    个粒子自旋方向相同，它们的自旋就相加；如果转动方向相反，它们的自旋
    便相减。无论哪种方式，只有一个电子和一个质子时，有关自旋的帐就总不
    能平衡。如果把它们的自旋相加，得出两倍的中子自旋，而两者相减时结果
    为零。只要中微子带有与其他粒子相同的单位自旋，便能巧妙地克服这一困
    难。


    因此，尽管物理学家以前一直没有检测到中微子，却已经推断它必定是一种
    零电荷、与电子有相同自旋、没有或几乎没有质量的粒子，它与普通物质的
    相互作用极其微弱，因而在穿过物质时几乎不留下任何痕迹。简而言之，这
    是一种会旋转的幽灵。所以，在泡利预言中微子存在之后，过了大约 20 年
    时间才在实验室里最终得以证实也就毫不奇怪了。核反应堆中所产生的中微
    子数量极多，因此尽管它们极其难以捉摸，还是能偶而地被检测到。


    在神冈铅矿中中微子暴的到达与超新星 1987A 出现决不是某种巧合，于是
    被科学家用来作为超新星理论的最重要验证。事实上，中微子暴正是天文学
    家在超新星事件中所预期出现的现象。


    虽然“nova”（译注：超新星 supernova 由前缀 super- 和词根 nova组成）
    这个词在拉丁文中是“新”的意思，但超新星 1987A 却不是新诞生的一颗
    星。事实上，它是一颗老年恒星走向死亡前的一次宏伟壮观的爆发。这颗超
    新星出现在大麦哲伦云中，那是一个 17 万光年远的小星系。它离银河系相
    当近，因而成为我们银河系的一个卫星系。在南半球肉眼可以见到这个星系，
    但只表现为一个模糊的光斑，要看清其中一颗颗恒星则需要用高倍望远镜。
    就在谢尔顿的发现之后几个小时，澳大利亚天文学家已经能在组成大麦哲云
    的几十亿颗恒星中，证认出哪一颗恒星发生了爆发。这项成就是他们在仔细
    检查了这个天区的早期底片后完成的。这颗恒星原来是颗典型的 B3 型蓝超
    巨星，直径约为太阳的 40 倍，它甚至还有个名字：桑杜里克( Sanduleak
    ) - 69202。


    50 年代中期，弗莱德·霍伊尔( Fred Hoyle )，威廉·福勒( William
    Fowler )和伯比奇夫妇( Geoffreg and Magreet Burbidge )首先研究了恒
    星爆发理论。为了理解一颗恒星为何会遭受这样一场浩劫，必须知道它内部
    活动的情况。我们最熟悉的恒星是太阳。与大多数恒星一样，太阳看上去是
    不变化的。然而事实并非如此。实际上太阳一直在与毁灭它的力作不停的斗
    争。所有恒星都是些靠引力维持在一起的气体球。如果唯一起作用的力只有
    引力，那么恒星会因自身巨大的重量很快向内坍缩，要不了几小时便会消亡。
    没有发生这种情况的原因在于向内的引力被恒星内部压缩气体产生的向外的
    巨大压力所平衡了。


    气体压力与温度之间存在着一个简单的关系；一定体积的气体在受热时，压
    力以正比关系随温度而上升，反之，温度下降时压力也下降。恒星内部压力
    极大的原因在于温度高，达几百万开。这种热量是由核反应产生的。在恒星
    的大半生中，氢聚变成氦是为恒星提供能源的主要核反应，这种反应要求很
    高的温度以克服作用于核之间的电斥力。聚变能可以使恒星维持几十亿年，
    不过核燃料迟早会越来越少，从而使恒星反应堆开始萎缩。发生这种情况时
    压力支撑已发发可危，垣星在这场与引力的长期搏斗中开始溃退。从本质上
    说恒星已是在苟延残喘，只是通过调整它的核燃料储备来推迟引力坍缩的发
    生。但是，从恒星表面流出并进入大空深处的能量都在加速恒星的死亡。


    依靠氢的燃烧估计太阳可以生存 100 亿年左右。今天，太阳的年龄约为五
    十亿年，它已消耗了一半左有的核燃料储备。今天我们完全不必惊慌失措。
    恒星消耗核燃料的速度极大程度依赖于它的质量。大质量恒星核照料的消耗
    要比小质量恒星快得多，这是毫无疑问的，因为大质量星既大又亮，因而辐
    射掉的能量也就多。超额的重量把气体压得很密，温度又高，从而加快了核
    聚变的反应速度。例如，10 个太阳质量的恒星在 l 千万年这么短的时间内
    就会把它的大部分氢消耗殆尽。


    让我们来观察一下这样一颗大质量恒星的命运。大多数恒星最初主要由氢组
    成。氢“燃烧”使氢核（质子）聚变成氦核，后者由两个质子相两个中子组
    成。详细过程是很复杂的，不过在这儿无关紧要。氢‘燃烧”是最为有效的
    核能源，但却不是唯一的核能源。如果核心温度足够高，氦核可以聚变成碳，
    并通过进一步的核聚变生成氧、氖以及其他一些元素。一颗大质量恒星可以
    产生必要的内部温度——可达 10 亿开以上，从而使上面的一系列核反应得
    以进行，但随着每一种新元素的慢慢出现产能率下降。核燃料消耗得越来越
    快，恒星的组成开始逐月变化，然后逐日变化，最后每小时都在变化。它的
    内部就像一个洋葱，越往里走，每一层的化学元素以越来越疯狂的速度依次
    合成。从外部看来，恒星像气球那样膨胀，体积变得十分巨大，甚至比整个
    太阳系还大。这时天文学家称之为红超巨星。


    这条核燃烧链终止于元素铁，因为铁有特别稳定的核结构。合成比铁更重元
    素的核聚变实际上要消耗能量而不是释放能量。因此，当恒星合成了一个铁
    核，它的末日便来临了。恒星中心区一旦不能再产生热能，引力必然会占尽
    上风。恒星摇摇晃晃地行走在灾变不稳定性的边缘，最后终究跌进它自己的
    引力深渊之中。


    这就是恒星内部所发生的事，而且进行得很快。由于恒星的铁核不可能再通
    过核燃烧产生热量，因而也就无法支撑它自身的重量，它便在引力作用下剧
    烈压缩，甚至把原子都碾得粉碎。最后，恒星核区达到原子核的密度，这时
    一枚顶针的体积便可容纳近 1 万亿吨的物质。在这一阶段，恒星的典型直
    径为 300 公里，而核物质的坚硬性格引起恒星核区的反弹。由于引力的吸
    引作用极强，这种强力反弹所经历的时间只有几毫秒。当这场戏剧性事件在
    恒星中心区展现之际，外围各层恒星物质在一场突发性的灾变中朝核区坍缩。
    数以万亿吨计的物质以每秒几万公里的速度向内暴缩，与正在反弹着的比金
    刚石壁更为坚硬的致密恒星核区相遭遇，发生极为强烈的碰撞，同时穿过恒
    星向外发出巨大的激波。


    同激波一起产生的还有巨大的中微子脉冲。这些中微子是恒星在最后核嬗变
    期间从它的内区突然释放出来的。在这次核嬗变中，恒星内原子的电子和质
    子放紧紧地挤压在一起而形成中子，恒星核区实际上成了一个巨大的中子球。
    激波和中微子两者一起携带着巨额能量穿过恒星外部各层向外传递。被压紧
    了的物质的密度非常之高，即使是极其微小的中微子也得费尽周折才能冲开
    一条出路。激波和中微子携带的能量有许多为恒星外层所吸收，结果导致恒
    星外层发生爆炸。这是一场核浩劫，其剧烈程度是无法想象的。在几天时间
    内恒星增亮至太阳光的 100 亿倍，不过再经过几个星期后又渐渐暗淡下去。


    在像银河系这样的典型星系中，平均每百年出现 2 至 3 颗超新星，历史上
    天文学家对此已有所记载，并深感惊讶。其中最著名的一个是由中国和阿拉
    伯观测家于 1054 年在巨蟹座中发现的。今天，这颗已遭毁灭的恒星看上去
    就像一团很不规则的膨胀气体云，称为蟹状星云。


    超新星 1987A 爆发时，不可见的中微子闪光充斥了整个宇宙。这是一个强
    度极大的脉冲。虽然地球离爆发点有 17 万光年之远，但每平方厘米仍能穿
    过 1000 亿个中微子。十分幸运的是，地球上的居民丝毫没有察觉到自己曾
    在倾刻间被来自另一个星系的数以万亿计的粒子所穿透。不过，位于神冈和
    俄亥俄州两地的质子衰变探测器却拦截了其中 19 个中微子。要是没有这种
    仪器，中微子便会像 1054 年事件那样在毫无察觉之中逝去。


    虽然超新星会给有关恒星带来死亡，但是爆炸也会带来积极的一面。巨大能
    量的释放使恒星外层得以加热，这种加热非常有效，因而就有可能在短暂时
    期内发生进一步核聚变反应，不过这些核反应是吸收而不是释放能量。比铁
    更重的元家，如金、铅和铀，就是在最后而又最强的那个恒星熔炉中冶炼出
    来的。这些元素，连同该聚变早期阶段产生的较轻元素（如碳和氧）一起被
    抛入太空，并且在那儿同许许多多其他超新星的碎屑混合在一起。在数以十
    亿年计的漫长时光中这些重元素也许会被掺入下一代的恒星和行星中。要是
    没有这些元素的产生和传播，就不可能有地球一类行星。使生命得以出现的
    碳和氧，我们戴的金戒指，屋顶上的铅板以及核反应堆中的铀棒，它们之所
    以能在地球上存在，都得归功于一些恒星在濒临死亡时所发出的呻吟，而这
    些恒星甚至在太阳诞生之前就消匿不见、无影无踪了。一种令人感兴趣的观
    点认为，组成我们身体的原材料归根结底来自早就死亡了的恒星的核灰烬。


    超新星爆发不一定会彻底摧毁一颗恒星。虽然大多数物质随这场灾变而消散，
    触发这场事件的暴缩核还留在原地。但是，它的命运也是危如累卵。如果核
    质量很小，譬如说只有一个太阳质量，那么它会形成一颗小城市那么大小的
    中子球。这颗“中子星”非常可能作极快的旋转，也许每秒钟转数会高达一
    千多圈，也就是说它的表面线速度达到光速的百分之十。这是因为暴缩极大
    地加快了原始恒星相对缓慢的自转速度，其原理与溜冰运动员收起双臂时会
    使自转加快的道理一样。天文学家已探测到许多这类快速自转的中子星。但
    是，随着天体能量的损失，自转很快会慢下来。例如，蟹状星云中央的中子
    星现在已减慢到每秒只转 33 圈。


    如果核的质量更大些，如几倍太阳质量，它就不可能以中子星的形式安居下
    来。引力实在太强了，即使中子物质（现在所知最结实的物质）也不能抵抗
    进一步的收缩。这时必然出现比超新星更可怕、更具灾变性的事件，恒星核
    继续坍缩，用不了 1 毫秒，它就消失在一个黑洞之中，彻底湮没。


    因此，大质量星的命运是把自身撕成碎片作为遗迹留下一颗中子星，或一个
    黑洞，而外面则包围着抛射出来的弥漫气体。没有人知道已经有多少颗恒星
    以这种方式寿终正寝。但是，仅仅在银河系内可能就有数十亿颗这类恒星残
    骸。


    我在童年时就为太阳也许会发生爆炸而提心吊胆。不过，太阳根本不可能会
    变成一颖超新星，这是因为它太小了。小质量恒星的命运与它们的大质量兄
    弟完全不同，远远没有后者那么剧烈。首先，吞食燃料的核过程进行得比较
    温和。事实上，处于恒星质量范围低端的一颗矮星可以持续发光 1 万亿年。
    其次，一颗小质量恒星所能产生的内部温度是不够高的，不足以合成铁，因
    此不会出现一场灾变性的暴缩。


    太阳是一颗典型的质量不大的恒星，它平稳地燃烧自身的氢燃料，并把核区
    转变成氦。目前，就有些核反应来说它的内核是不活泼的，因此内核无法提
    供足够高的热能以维持太阳不出现毁灭性的引力收缩。为了防止坍缩的发生，
    太阳必须使它的核区活动向外扩展，以寻找未经反应的氢。同时，氦核逐步
    收缩。因此，尽管在过去几十亿年中太阳内部发生了一些变化，其外貌却几
    乎没有任何的改变。它的体积将会膨胀，但表面温度却略有下降，颜色也会
    变得红一些。这种趋势一直要持续到太阳变成一颗红巨星，那时它的直径也
    许会增大 500 倍。天文学家对红巨星是很熟悉的。夜间天空中几颗很著名
    的亮星，如毕宿五（金牛 α ）、参宿四（猎户 α ）和大角（牧夫 α ）
    都属于这一类。红巨星阶段标志着小质量恒星生命结束期的开始。


    虽然红巨星相对来说温度比较低，但是它的直径很大，因而有着巨大的辐射
    表面，这意味着总光度更大了。随着热流量增强并袭击太阳系行星时，这些
    行星将面临一个艰难的时期，这一阶段大约要延续 40 亿年。在这一阶段结
    束之前，地球早就变得不适应人类居住了，海洋因蒸发而干涸，大气也都己
    被剥离。随着太阳不断地膨胀变大，它首先会吞没水星，接着是金星，最后
    连地球也都落入熊熊燃烧着的太阳壳层之内。即使经历了彻底的焚烧和葬礼，
    我们的行星缩成一堆灰烬之后，它仍然固守着自己的运动轨道。太阳那红色
    炽热的体密度非常之低，接近于真空，因而对地球的运动几乎不会产生任何
    阻力。


    我们能在宇宙中生存，这件事情的本身得归功于太阳一类恒星的极端稳定性。
    它们可以在几十亿年时间内稳定地燃烧而几乎没有发生任何变化，这段时间
    之长已足以使生命进化并繁荣起来。但是，随着红巨星阶段的到来，这种稳
    定性便不复存在。太阳一类恒星在其生涯中红巨星后的各个阶段情况复杂，
    活动激烈而又变化无常；相对而言它的行为和外貌会发生较快的变化。上了
    年纪的恒星可能会经历几百万年时间的脉动，或抛掉外层气体。恒星核区中
    的氦可能会点燃，生成碳、氮和氧，并提供能使恒星维持较长一段时间所必
    须的能量。一旦外壳被抛入太空，恒星便不再继续剥落，最后露出的是它的
    碳氧核。


    在这一复杂活动时期以后，小质量和中等质量恒星不可避免地会向引力屈服，
    并开始收缩。这种收缩是不可逆转的，并一直要进行到恒星被压缩至小的行
    星那么大为止。恒星变成一个天文学家称之为白矮星的天体。因为白矮星非
    常之小，所以极其暗弱，尽管它们的表面温度实际上要比太阳表面温度还高
    得多。在地球上只有用望远镜才能看到它们。


    白矮星就是太阳遥远未来的归宿。当太阳到达那一阶段时，它仍能在好几十
    亿年时间内维持炽热状态。它的绝大部份密度非常高，结果内部热量被有效
    地封闭起来，其绝热性能比我们现在已知道的最好的绝热体还要好。但是，
    热辐射在向寒冷的外部空间缓慢地泄漏，而由于内部核熔炉永久性地关闭，
    因而再也不能指望有任何燃料贮备来补充这种热辐射。我们曾经拥有过的太
    阳现在成了白矮星残骸，它将非常非常缓慢地冷却下来并变得越来越暗，直
    到进入它的最终变化形态。在这一过程中它逐渐变硬，成为一种刚性极好的
    晶体。最终，它会继续变暗直至完全消失，销声匿迹于黑暗的太空之中。






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