恒星生命的演化过程

恒星生命的演化过程

蟹状星云，即《宋史》记载的那次金牛座超新星爆发后的残骸。

史啸虎编译

前注：前几天我在朋友圈转发了一篇谈论宇宙的文章，同时谈到了自己对于宇宙分为层次和不同空间的看法，得到了很多读者的评论和点赞。昨天找到这篇自己编译并发表在1983年12期《天文爱好者》杂志上的文章，感觉内容不错，迄今仍有阅读和参考价值，于是便在公众号上挂出，以飨读者。今后也将不定期地在公众号上转载一些当年自己翻译或撰写并在刊物上发表过、可读性较好且仍有一定现实价值的旧文。欢迎阅读和评论。

茫茫太空中，弥漫着许多气体与尘埃，它们有聚有分，聚起来便构成星球，分开来又成为气体或尘埃。由于引力的作用，气体和尘埃渐趋凝聚，变得越来越大，随着尘埃与气体的收缩，从而产生了能量并释放出来，于是一颗新的星球便开始发光而诞生了。迄今，天文学家已发现许多这类非常年轻的星，它们还处于原始的凝聚过程中。

但是，太空中的绝大多数恒星已经度过这一初级阶段。如果将恒星生命的演化过程按顺序划分阶段，就可以作如下排列：新生恒星、象太阳一样的普通恒星（数量最多）、蓝巨星和红巨星、白矮星和黑矮星、中子星和黑洞。

在后两种星体的形成过程中还会产生超新星爆发，其结果是喷射出大量气体壳层和尘，形成原始星云，新的恒星系统也就是从这里诞生的。字宙中如此众多的星体类型构成了一个洋洋万千，蔚为壮观的恒星世界。

有的恒星亮度要比太阳强一万倍以上，有的则是太阳亮度的万分之一。有的虽然发光但表面温度非常之低，有的却正好相反，表面炽热，却暗淡无光。有的星体稀松如气体，有的则比磐石还坚，密度达10¹⁵(克/立方厘米)。因此，如何解释宇宙中星体的这种多样性也就成为天文学家们的主要研究课题了。

一、恒星的能源

太阳是个中等星，无论是体积、温度、亮度，还是密度和质量，在恒星世界中都屈居中游。加上太阳是离地球最近的一颗恒星，因此，天文学家们都把研究太阳作为观察和研究外部恒星世界的前哨站和衡量其它天体的尺码。

五十年前（这里指上世纪三十年代之前），科学家们就计算出太阳中心的温度为摄氏1.4×10⁷度，密度为100，即水的密度的100倍。但是，太阳赖以发出如此高温的能源是什么，仍然不得而知。

上世纪三十年代以后，通过许多科学家的努力，人们才弄清楚恒星的能量来源于核反应。地球上所沐浴的阳光就是八分钟前在太阳上进行热核反应的能量。

原子核是互相作用的，但是即使两个原子核相互也很难发生反应，因为原子核很难彼此穿透对方的静电势垒。原子核都带正电荷，根据电学定律，它们互相排斥。然面，如果根据量子力学定律，这种潜在的势垒有时也可被冲破。因为温度越高，原子核之间发生反应的可能性就越大。

研究人员通过实验发现，参与反应的原子核中至少有一个是氢原子核时，这种相互排斥的力就最小，因而，发生反应的机会就最大。这是由于氢原子核所带的电荷最小。如果用两个氢原子核进行试验时，反应则最显著。

人们通过试验已经取得了与太阳内部能量的产生非常近似的反应：质子-质子反应。只有在6×10⁷摄氏度情况下才有可能发生这种反应。根据亮度-温度-质量成正比的理论，质量更大的星体其温度必定更高，所释放的能量也相对地更大。因此，为了解释更大星体上的高能量，就需要找出一种跟温度关系更密切的反应方式。

科学家们研究了元素周期表，仍然假设氢原子核是最易进行反应的，而氦、锂、铍、硼等元素都不行。后来美国科学家贝蒂发现了带有一个质子的碳₁₂原子核的相互作用。在这个反应链中，四个氢核结合起来形成了一个氦原子核，抛出两个正电子，两股y射线和两个中微子。这种衰变周期将氢耗尽（后者是恒星的一种富元素），但实际上却补充了碳。

这一过程是很侥幸的，因为碳在恒星上是一种很罕见的元素。这种循环所发出的能量温度达到人体温度——37摄氏度的20次方，这就非常接近地预告了更加巨大星体能量的产生。当氢核结合而形成氦元素时，便会释放出巨大的能量，其总值就相当于根据爱因斯坦的著名公式E=Mc²所计算的结果了。

现在人们已相信，太阳是利用质子-质子反应提供能量的，而更大的星体则依赖于被称作碳-氮循环的核反应，这两者都是核聚变。这两种结论，已为天文学界所接受，因为计算出的数据看来很适用于许多已知的星体，而且很多也为地面实验所证实。

二、星体的坍缩

大家知道，无论在质子-质子反应还是在碳-氮循环中，都要消耗氢。由于这些反应都取决于温度，因此，耗氢过程只有在温度非常高的地方，即恒星的中心部位才会发生。经过漫长的反应期，恒星中心部位不可避兔地出现氢的缺乏，并最终被耗尽。

当一个恒星中心部位的氢耗尽之后，便会发生惊人的事情——星体坍缩。比如，一个质量约为太阳3倍的恒星，在诞生初期，其中心密度为40。经过二亿年缓慢的演变，其中心密度也许是100，与太阳相等。这时，该恒星的温度和密度将在数十亿年内保持不变。

由氢产生的核反应将在该星的中心产生异常巨大的压力，并借助于这种压力来支承其重力。但是，一旦氢被耗尽，该压力便不再存在，恒星便在自身的引力下发生坍缩。坍缩的结果造成密度增大，在相对短的时间内，也许是几百万年，星体的中心密度便会急剧猛增到10⁴，温度则增加到10⁸摄氏度以上。

按照常识，随着恒星中心结构变得日益紧密，其半径也相应地缩小。但是，与人们的假设相反，此时恒星不仅没有变小，它的表面反而大大地扩展了，一直增大到半径比原先大上10倍！这时，这颗恒星便演化成巨星了。

为什么星体表面会扩展呢？因为尽管恒星中心部位的氢已被耗尽，但其外层还存在有大量的氢。如果中心坍缩，便会产生足够的热能来点燃其外层剩余的氢，从而得以重新开始本质上是同样的碳-氮循环。

由于离星核较远，恒星外层并不能加热到很高的温度，也不产生多大能量，但是这种反应却能使外层膨胀。这种巨星发出的光还和原先一样多或者少一些。但是由于巨星的光是从一个巨大的表面上放射出来的，因而每单位面积所发出的光能便大大减少了，其表面温度也会随之降低，这样便使巨星看起来不再发白，而是变红了。所以，人们将处于这阶段的恒星称之为“红巨星”。

恒星在红巨星阶段其半径和密度稳定下来，这是由于聚变反应所产生的氦充填了该衰变星的中心部位。要想使氦反应起来，必须有更高的温度才行，因为两个氦原子核不能形成任何已知的原子核，只有三个氦核才能形成碳₁₂原子核。即使是在密度达到10⁴的情况下，三个氦核的结合也是极为罕见的。所以，要想促成这种反应既需要非常高的温度也需要非常高的密度，两者缺一不可。

红巨星的星核不停地坍缩，直到温度达到10⁹摄氏度，即10忆度的极限高温时，氦聚变反应便开始发生了。聚变反应可阻止进一步的坍缩，从而抑制了星体中心温度的进一步上升。

三、红巨星的衰变

如果红巨星内部的氦在聚变反应中逐渐消耗殆尽，就会导致星体的进一步衰变和坍缩。红巨星的衰变可有三个归宿。

第一个是白矮星。如果星体坍缩时的质量小于太阳或相等于太阳，它就会沿着白矮星的道路度过它的一生。星体演变到这一阶段，其电子互相挤压得日渐紧密，从而产生出愈来愈大的阻止坍缩的抵抗力。这一情况就叫做“电子简并”（Electronic degeneracy），是造成白矮星最后稳定的原因。数十亿年之后，白矮星将缓慢地将它所贮存的能量散发出去，变成冰冷的黑色无光的质块一一黑矮星。

宇宙中，迄今还没有发现一颗恒星生存那么长时间，而达到那终极的黑暗的阶段——黑矮星。如果那是所有恒星的共同命运，那么人们会问：那些只存在于红巨星坍缩以后的所有重元素——碳、氮、氧、氖、镁、硅、铁，又是如何逃到宇宙中，从而到达太阳、地球以及其它行星上去的呢？

因此，红巨星坍缩后的结局一定还有第二条路。这就是，当星体坍缩时的质量比太阳大1.3～3倍时，该星体就向中子星演变。

在一个相当大的恒星内部，那种电子抗力不再能够抗御住恒星质体的引力作用时，发生的坍缩是剧烈而突然的，也许会在短短的几秒钟内便轰然塌陷。

在过去两年内，许多天文学家研究了这类坍缩的作用原理，发现整个恒星星核塌陷的结果会使星体密度达到10¹⁴之巨！坍缩时星体物质塌落至星核中心的速度可达每秒钟50，000公里。这就产生了一个极其高的压力，从而出现了一种强烈无比的激波，自内向外穿过星体，将星体内部的物质向外推，并获得足够的推力，克服星体的引力，被迸发到太空中去。在迸发的物质中包含了前面所提到的许多重元素。这就是超新星爆发。

太阳系的原子已全部经历过这种类型的爆发。研究表明，在当初太阳系凝聚过程中，在其附近曾有过一次超新星爆发。这次爆发可能为原始太阳星云转变成太阳系提供了必要的压力和重元素物质。

超新星爆发的能量极大，要比太阳大10⁶倍以上且时间很短，一般仅历时数十日。我国史书上记载了公元1054年金牛座的超新星爆发的景象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，只见二十三日。”（详见《宋史》，即至和元年五月记载——译者注）这种对超新星细致的观察和描写至今仍受到科学界的赞叹。在银河系的上千亿颗恒星中，约数百年才有一颗超新星爆发。

超新星爆发后剩下来的恒星星核不断紧缩，最终变成一颗中子星。星核中的物质受到如此高的压力，以至于质子和电子都被挤压在一起，形成了中子。这些中子紧密地聚集在一起，直到它们不再能聚集得更紧密时，所谓“中子简并”（Neutron degeneracy）期便来临了。中子简并所引起的外向压力与星核塌陷的内向压力之间达到平衡，中子星也就处于持久的平衡状态。中子星的直径一般只有10公里左右，密度极大，一茶匙中子星物质可重达10亿吨！

星体大坍缩的第三种结果就是黑洞。这只有当坍缩的星体质量大于太阳3倍时才有可能。这类黑洞的质量一般为太阳的3～50倍。当然，黑洞的形成还有其它原因，如“星体黑洞”以及“原生黑洞”等。前者的质量要比太阳大一亿倍，后者则仅与小行星相仿，质量小的仅为几十亿吨。黑洞虽然有大有小，但本质上都是一样的，它们用它那异常强大的引力场，可以将一切接近于它们的物质，包括光线都吞了进去。

但是，黑洞也会演化，即它会向外“蒸发”（evaporate）热量，以类似于“热辐射”的方式不断地向外发射粒子。黑洞“蒸发”的速率与它们的质量成反比，即质量越大，反射粒子的速度相对越小；质量越小，则“蒸发”得越快。因此，大质量的黑洞在不断发射粒子之后，会使自己愈变愈热，质量则愈变愈小，其结果会使黑洞的“蒸发”愈来愈剧烈，到最后，必然也会引起一场爆炸。人们将这种爆炸称之为“反坍缩”，其结果便产生了“白洞”。然面，人们至今也没有发现像“白洞”一类的星体。当然，有关白洞的演变过程也就属于一种猜测了。

总而言之，人们对周围宇宙的认知是很有限的。但是，自从哥白尼提出“日心说”，开创了科学宇宙观之后，在短短的几百年里，人类对宇宙和恒星的认识已经历了几次飞跃，大大地深化了。人类探索恒星生命的演化过程尽管还存在很多疑问，但展现出来的是一幅多么宏大瑰丽的画卷啊！

原文刊载于《天文爱好者》1983年第12期。此文编译主要参考了同时期《New Scientist》、《Astronomy》和《Scientific Amarican》等科学杂志相关文章。