恒星的生死

坍缩过程中涉及的全部物质的5%。物质不断落到内部的小核上，它带来的能量在物质撞击到核心上时又成为辐射而放出。与此同时，核心在不断缩小，并变得越来越热。　　温度达到二千度左右时，氢分子开始分解成为原子。核心开始再度收缩，收缩时释放出的能量将把所有氢分子都分解为原子。这个新生的核心比今天的太阳稍大一些，不断向中心落下的外围物质最终都要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要诞生了。　　人们将这样的天体称为“原恒星”，它的辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。由于密度和温度在升高，原子渐渐地丢失了它们的外层电子。落下的气体和尘埃形成了厚厚的外壳，使光无法穿透。直至越来越多的下落物质和核心联成一体时，外壳才透光，发光的星体突然露出来。其余的云团物质还在不断向它落下，密度还在不断增大，内部温度也在上升。直至中心温度达到一千万度发生聚变。一颗原始的恒星诞生了。成长与发展 (Development) 　　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-。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，温度达到一千五百万开氏度，压强则为地球大气压的三千亿倍。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。　　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子绕核旋转。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距离。但是，在年轻恒星核心的一千五百万开氏度的高温下，质子运动得如此之快，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。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千分之七，但是这一点质量损失转化成了巨大的能量。一公斤氢变成氦时所释放的能量，足以使一只一百瓦的灯泡长明一百万年。像太阳那样的恒星有一个巨大的核，在那里每秒钟有六亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。　　恒星中心释放的能量作为光子辐射出来，然而光子要经过漫长的路程才能到达太阳表面并逃逸到星际空间。虽然光子的速度将近每秒钟三十万公里，太阳的半径是七十万公里，但从太阳中心发出的光子到达太阳表面的时间却不是二点三秒。那些光子得花上约一千万年才能走完这段路程。我们地球上现在收到的阳光，是八分钟前离开太阳表面的，但是它从太阳核心产生时，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未相连。　　理由很简单：光子在恒星内部并不是沿直线运动的，而是由于与无数的电子的碰撞而不断地改变路径。假如太阳核心现在突然熄灭，阳光在今后一千万年里仍将继续照亮地球。　　恒星的生命历程极为规则。天空中的几乎所有恒星，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百分之九十九，并被称为主序。我们的太阳已经平静地处在主序态上五十亿年了，不停地把它的氢转变成氦，它的生命之路正好走了一半。红色巨人 (Red Giant) 　　然而，“恒定”的演化历程终将结束，熊熊烈焰熄灭后，恒星将化为余烬。当所有的氢都变成了氦时，核心的火就没有足够的燃料来维持，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。　　一旦燃料用光，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了，引力占据了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下开始收缩，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，而核心在收缩。　　在大约一亿度的高温下，恒星核心的氦原子核聚变成为碳原子核。每三个氦核聚变成一个碳核，碳核再捕获另外的氦核而形成氧核。这些新反应的速度与缓慢的氢聚变完全不同。它们像闪电一样快地突然起爆（氦闪耀），而使恒星不得不尽可能地相应调整自己的结构。经历约一百万年后，核能量的外流渐趋稳定。此后的几亿年里，恒星处于暂时的平稳，核区的氦在渐渐消耗，氢的燃烧越来越向更外层推进。但是，调整是要付出代价的，这时的恒星将膨胀得极大，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大十亿倍。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。　　红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但极为明亮，因为它们的体积非常巨大。肉眼能看到的最亮的星中有许多就是红巨星，如参宿四、毕宿五、大角、心宿二等。我们的太阳在五十亿或六十亿年后也将变成一个红色“巨人”。当核心的氢耗完时，太阳就开始膨胀，那时水星将化为蒸汽，金星的大气将被吹光，地球上的海洋将沸腾。然后太阳还会继续膨胀，并将地球纳入它的势力范围。地球被烧焦的残骸会继续在巨型太阳灼热而极稀薄的大气里转圈。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。余烬与钻石 (Cinder and Diamond) 　　红巨星还不是恒星生命的终结。引力现在变得比以往更为重要。一个恒星的命运完全是由其质量决定的，至少对单颗星是如此。质量越大的恒星演化得越快，核燃料也就消耗得越快。太阳的整个热核反应阶段约是一百二十亿年，而质量大于太阳十倍的恒星，核阶段就要短一千倍。另外，核反应的产物也不一样。质量最大的恒星里产生出最重的元素。先让我们来看看像太阳这样质量较适中的恒星的命运。　　红巨星的碳－氧核不再发生热核反应。外壳的重量不足以使这个核受到充分的压缩，但是核的周围仍然活跃。氢层和氦层先后燃烧，一点一点地耗掉恒星的储备，一步一步地延伸到外壳。这种很节约的“蚕食”所产生的能量仅能断断续续地支撑外层的重量。这种痛苦挣扎的恒星不能再稳定自己，而是开始脉动。这种状态持续数千年。以前曾是极为稳定的恒星现在不顾一切地背道而驰，它像孩子们的气球一样一胀一缩，每次都喷出一团气体。最后，它的外层全部脱落，只剩下一个-的碳－氧核。　　被抛出的气体，也就是灰烬，形成了一个行星状星云，那萎缩的残骸则注定成为一块钻石，这就是白矮星。　　行星状星云洋洋大观的外流气体不仅将是太阳，也是所有质量在一到八倍太阳质量之间即中等尺度恒星的产物。更小的恒星却如此节俭，以至于自诞生以后几乎不怎么演化；而更大的恒星则高速燃烧，最后以雄壮的爆发来结束自己的存在。　　在银河系中，估计总共存在二万至五万个行星状星云，每年形成一到二个。其中只有大约一千个能看得到，其余的都被银河系盘的尘埃所遮掩。　　在恒星大膨胀成为红巨星，热核反应速率也不可逆转地衰减之后，恒星吹出气体并收缩到地球那样大小，即几千公里直径。物质的浓缩使得星体表面温度大为升高，以至真正成为白热。小尺度和高表面温度这两个特征，使这种星得名为白矮星。　　白矮星是中等质量恒星演化的终点，在银河系中随处可见。它的质量越大，半径就越小。由于没有热核反应来提供能量，白矮星在发出辐射的同时，也以同样的速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。白矮星的变暗过程是如此之慢，自一百五十亿年前宇宙创生和第一批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需要极大的耐心。太阳正处在其主序阶段的中点，还要经过五十亿年才到行星状星云那样的“高龄”，它将再短暂地活跃十万年，然后成为一颗白矮星并在一百亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星而永存。　　像太阳这样的单个恒星是少数，银河系里的恒星多数都以双星方式存在。有的还是三颗、四颗或五颗由引力紧密地联系着。如果两颗星靠得足够近，白矮星的长期演化就会被改变。　　导致改变的主要原因是两颗星之间的物质转移。白矮星的那个伴星，如果是很靠近，或者是红巨星，其表层物质就会被白矮星的引力吸过去。吸过来的物质环绕白矮星形成一个扁平的结构，叫做吸积盘。气体流对盘的撞击会导致很强的局部加热，形成热斑。热斑可以像恒星那样亮，从而成为白矮星存在的间接证据。如果白矮星是高度磁化的，盘不能形成，而气体沿着磁力线偏转并落向白矮星的两个磁极。气体到达白矮星表面时的撞击会产生快速变化着的光学、紫外甚至Ｘ射线辐射，白矮星就会闪烁不定地变亮，因而可以被看见，这样的双星系统被称为激变变星。　　这样一种相对稳定的安排会被一个强烈而又突然的活动期所打断，其结果就表现为一颗新星。新星的机制几乎可以肯定是一种表面热核爆发。气体连续不断地落到白矮星表面，被引力场所压缩和加热。当物质积累到一定程度时，作为其主要成分的氢突然发生聚变，白矮星外层爆发。中子星、超新星和黑洞 (Neutron Star, Supernova and Black Hole) 　　离开主序时质量超过八倍太阳的恒星能制造重原子核。在温度升到六亿开氏度时，碳保不住了，相互猛撞并聚合成氖和镁。一条“生产线”就此建立，因为每个新的热核反应都能释放更多的能量，使温度升得更高，从而导致新的转变。然而核转变并不能就无限制地继续，反应的洪流最后都朝着一个元素汇集：铁。铁是大质量恒星核心的最后灰烬。与此同时恒星还不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个异常巨大的尺度，成为红超巨星。红超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把这样一个星放在太阳系中心，它将吞没包括远在五十亿公里外的冥王星在内的所有行星。　　虽然铁核的温度在十亿度以上，却没有能量从中流出。它不足以使超巨星维持引力平衡，铁核就会被压得更紧密，使其中的电子处于简并态。当简并电子的巨大压力能暂时地支持外层的重量时，恒星活动会出现一个间歇。但是当核心里铁和简并电子的质量超过一点四个太阳质量时，电子已简并的核突然塌陷，剧烈收缩，在十分之一秒内温度猛升到五十亿度。涌出的光子带有的巨大能量将铁原子核炸开，蜕变成氦原子核。这个过程叫光致蜕变。光致蜕变使原子核破裂并吸收能量，恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡无情的重压，温度持续上升，直到氦核本身也蜕变为其基本成分：质子、中子和电子。在高温下电子变得更不能阻挡压缩力，在零点一秒内，它们被挤压到与质子结合在一起。二者的电荷相中和，变成为中子，同时迸发出巨大的中微子流。中子的“占据体积”要小得多，两个中子之间的间隔，可以小到十的负十三次方厘米，也就是说，中子可以相互碰到。于是，中子化就伴随有一场物质的内向-和密度朝着简并态的巨大增长。恒星的密度达到每立方厘米十的十四次方克，相当于在一只缝纫顶针里有一亿吨的质量。恒星核里再没有任何“真空”留下，恒星核就成了一种主要由中子组成的巨大原子核，这种远比白矮星紧密的新的物质简并态，就叫做中子星。　　这时恒星中的物质已不可能再作任何进一步的压缩。恒星的未中子化的外层以每秒约四万公里的速度落到其中子化核心的表面，在那里撞上了一堵无比坚硬的墙，并被反弹回来，形成冲击波。冲击波由中心向外传播，几天后达到恒星表面，毫不含糊地把恒星整个外壳轰得粉碎，并沿径向向外吹得四散。一个二十五倍太阳质量的恒星将喷射掉二十四倍太阳质量的质量，只剩下一个太阳质量的中子星。这个现象就称为超新星爆发。　　超新星爆发的这种激烈程度的确令人难以置信。它在几天内所倾泻的能量就像恒星在主序期的几亿年里所辐射的那样多。它的光度会增大数十亿倍，因此在几天里这颗“新”星的亮度将超过整个星系。　　超新星吹出的气体不仅送来了丰富的重元素，而且对星系的演化起着非常重要的作用。今日地球上的重元素就是从那些早已消失的恒星的核里来的。　　在某些质量远大于太阳的恒星的已简并的核心，继续发生着坍缩，但最终形成的并不是中子星，而是黑洞。　　没有东西能从黑洞逃逸，包括光线在内。黑洞可从大质量恒星的死亡中产生。一颗大质量恒星坍缩后，当其引力大得无任何其他排斥力能与之相对抗时，恒星被压成了一个称为“奇点”的孤立点。有关黑洞结构的细节可用爱因斯坦解释引力使空间弯曲和时钟变慢的广义相对论来计算。奇点是黑洞的中心，在它周围引力极强。黑洞的表面通常称为视界，或叫事件地平(Event Horizon)、“静止球状黑洞的史瓦西半径”，它是那些能够和遥远事件相通的时空事件和那些因信号被强引力场捕获而不能传出去的时空事件之间的边界。在事件地平之下，逃逸速度大于光速。这是一种人类尚未得到直接观察证实的天体现象，但它已被一些著名的理论天文学家如霍金等在数学模型方面研究得相当完善。
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