編者按：
這篇文章中，張?zhí)烊乩蠋煂ьI(lǐng)我們深入太陽內(nèi)部，了解它發(fā)光發(fā)熱的原理，我們還將穿越時(shí)空看遍太陽的“生老病死”。太陽附近環(huán)境險(xiǎn)惡，大家小心！
撰文 | 張?zhí)烊兀绹?guó)德州大學(xué)奧斯汀分校理論物理博士）
責(zé)編 | 胡一鳴（特約）
● ● ●
古人望著滿天繁星說：“天上一顆星，地上一個(gè)人”。他們將星星看作是地球上人的化身，用心目中的英雄人物為最亮的星座命名。如今的孩子們，早就知道了星星并不是人，他們要問的問題可能是：“星星是不是也有生有死呢？”
的確，星星和人一樣，也有生老病死。不過，星星的壽命要比人類個(gè)體的壽命長(zhǎng)得多，經(jīng)常都需要以“億年”為單位來計(jì)算！人生易老天難老啊。天體物理學(xué)家們最感興趣的是像太陽這樣的恒星。從天文觀測(cè)的角度看，恒星會(huì)主動(dòng)發(fā)光，而行星只是被動(dòng)地反射或折射恒星發(fā)出的光線而已。恒星的質(zhì)量較大，強(qiáng)大的萬有引力使它們“心中燃著一把火”，也使得它們的生命過程轟轟烈烈、多姿多彩、急遽變化。科學(xué)家們將各類恒星的誕生、老化直至死亡的整個(gè)過程，稱之為“恒星的演化周期”。根據(jù)恒星質(zhì)量大小的不同，它們的演化周期（壽命）也大不相同。一般而言，恒星質(zhì)量越小壽命越長(zhǎng)，從幾百萬年到數(shù)兆年不等。
首先讓我們的飛船停留在太陽系，考察一下我們這個(gè)大家庭的主人，離我們最近的恒星——太陽。太陽誕生于何時(shí)？經(jīng)歷了怎么樣的生命周期？它還能照耀多久呢？太陽的“生死”決定了大家庭成員們的生死，也與我們地球上人類的生存息息相關(guān)，千萬不可小覷。
目前的太陽，形狀幾乎是一個(gè)理想球體，中間是核心，然后是輻射帶，最外層是對(duì)流帶（見圖2-1b左上太陽內(nèi)部截圖）。恒星發(fā)光的原因是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部的熱核反應(yīng)，太陽也是如此。公眾熟知的核反應(yīng)例子是世界上各個(gè)大國(guó)掌握的核武器：原子彈和氫彈。前者的物理過程叫做“核裂變”，后者則叫做“核聚變”。裂變指的是一個(gè)大質(zhì)量的原子核（例如鈾）分裂成兩個(gè)較小的原子核，聚變則是由較輕的原子核（例如氫）合成為一個(gè)較重的原子核，比方說氫彈，便是使得氫（原子）核在一定條件下合成中子和氦（原子）核。無論是裂變還是聚變，反應(yīng)前后的原子核總質(zhì)量都發(fā)生了變化。愛因斯坦的狹義相對(duì)論認(rèn)為質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)換。在兩類核反應(yīng)中都有一部分靜止質(zhì)量在反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成了巨大的能量被釋放出來，這就是為什么核武器具有巨大殺傷能力的原因。太陽內(nèi)部所發(fā)生的，是與氫彈原理相同的核聚變，如圖2-1所示。
圖2-1：太陽內(nèi)部的部分核反應(yīng)
核聚變要求的條件非常苛刻，需要超高溫和超高壓。地球上的人類人為地制造這種條件不是那么容易，雖然人類已經(jīng)有了氫彈，但那是一種破壞性的、對(duì)付敵人的武器，要想辦法控制這種能量并加以和平利用，仍然是困難重重。可是，在太陽的核心區(qū)域中卻天然地提供了這一切難得的條件。那兒的物質(zhì)密度很高，大約是水密度的150倍，溫度接近1500萬攝氏度。因此，在太陽核心處進(jìn)行著大量的核聚變反應(yīng)。
太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)，產(chǎn)生攜帶著大量能量的伽馬射線，也就是一種頻率比可見光更高的光子，同時(shí)也產(chǎn)生另外一種叫做中微子的基本粒子【注1】。因而，在我們的宇宙太空中，不僅飛舞著各種頻率的光子（電磁波），也飛舞著大量的中微子！中微子字面上的意思是“中性不帶電的微小粒子”，是上世紀(jì)30年代才發(fā)現(xiàn)的一種基本粒子。中微子有許多有趣的特性，有待人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和研究。比如說，科學(xué)家們?cè)瓉硪詾橹形⒆雍凸庾右粯記]有靜止質(zhì)量，但現(xiàn)在我們知道了中微子的質(zhì)量并不是零。
太陽核心球的半徑大約只有整個(gè)半徑的五分之一到四分之一。核心之外的輻射層中充滿了電子、質(zhì)子、中子等基本粒子。光子和中微子在太陽內(nèi)部的核反應(yīng)中被同時(shí)產(chǎn)生出來，但它們的旅途經(jīng)歷卻完全不一樣。光子是個(gè)“外交家”，與諸多基本粒子都能“交往”，它們一出太陽核心，旅行不到一厘米便會(huì)被核心外的其它粒子吸收，或者是被轉(zhuǎn)化成能量更低的光子向四面八方散射。
如圖2-1b所示，光子的軌跡彎彎曲曲。說起來你會(huì)難以相信，一個(gè)光子經(jīng)過反反復(fù)復(fù)、曲折迂回的路線之后，平均來說，要經(jīng)過上萬年到十幾萬年的時(shí)間，才能從太陽核心到達(dá)太陽的表面，繼而再飛向宇宙空間，照耀太陽系大家庭，促成地球上的“萬物生長(zhǎng)”。當(dāng)光子來到太陽表面時(shí)，已經(jīng)不再是能量雖高卻看不見的伽馬射線，而是變成了我們看得見的“可見光”，單個(gè)光子的能量大幅減弱，太陽表面的溫度也已大大降低到大約只有6000度左右。
中微子的行程大不相同，是直接往外沖，它不怎么和其它的物質(zhì)相互作用，因而，它在通過核聚變反應(yīng)產(chǎn)生出來之后，兩秒鐘左右便旅行到了太陽表面，從太陽表面逃逸到太空中去了。所以，非常有趣，假設(shè)我們?cè)诘厍蛏贤瑫r(shí)接收到從太陽輻射來的光子和中微子時(shí)，它們的年齡可是相差太大了：中微子是個(gè)太陽核心幾分鐘之前的“新生兒”，產(chǎn)生后直達(dá)地球，同時(shí)來到地球的光子卻已經(jīng)是多少萬年之前的“老頭”產(chǎn)物了。
無論如何，太陽系大家庭的有用能量之來源是太陽核心的核反應(yīng)。聚變反應(yīng)的每一秒鐘，都有超過400萬噸的物質(zhì)（靜止質(zhì)量）轉(zhuǎn)化成能量。如此一來，科學(xué)家們不由得擔(dān)心起來：太陽以如此巨大的速度“燃燒”，還能夠燒多久呢？簡(jiǎn)單的計(jì)算可以給我們一個(gè)近似的答案。太陽的質(zhì)量大約是2x10^23萬噸，每秒鐘燒掉400萬噸，每年大約要燒掉10^10萬噸。因此，如果太陽按照這個(gè)速度進(jìn)行核反應(yīng)，大約還能燃燒10^13年，即100億年。這個(gè)結(jié)論多少讓我們放下心來：太陽離它的“死期”還遠(yuǎn)著呢！
恒星的生命周期和演變過程取決于它最初的質(zhì)量。大多數(shù)恒星的壽命在10億歲到100億歲之間。粗略一想，你可能會(huì)認(rèn)為質(zhì)量越大的恒星就可以燃燒更久，便意味著壽命更長(zhǎng)。但事實(shí)卻是相反：質(zhì)量越大壽命反而越短，質(zhì)量小的細(xì)水長(zhǎng)流，命反而長(zhǎng)。比如說，一個(gè)質(zhì)量等于太陽60倍的恒星，壽命只有3百萬年，而質(zhì)量是太陽一半的恒星，預(yù)期的壽命可達(dá)幾百億年，比現(xiàn)在宇宙的壽命還長(zhǎng)。
就我們的太陽而言，其生命周期中的“大事記”可參考圖2-2。
圖2-2：太陽的生命周期
圖中可見，太陽是在大約45.7億年前誕生的，目前“正值中年”。太陽在45億年之前，是一團(tuán)因引力而坍縮的氫分子云。科學(xué)家們使用“放射性定年法”得到太陽中最古老的物質(zhì)是45.67億歲，這點(diǎn)與估算的太陽年齡相符合。
恒星的年齡與恒星的質(zhì)量有關(guān)，其原因是因?yàn)椤耙Α痹诤阈茄莼衅鹬匾淖饔谩Ｃ鑼懸ψ饔玫睦碚撚信ｎD的萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對(duì)論。這兩個(gè)理論被應(yīng)用在引力較弱的范圍時(shí)，結(jié)果一致，但對(duì)于強(qiáng)引力場(chǎng)，或者是宇宙大尺度引力現(xiàn)象時(shí)，必須使用廣義相對(duì)論，才能得出正確的結(jié)論。詳情請(qǐng)參考筆者有關(guān)廣義相對(duì)論的科普讀物【注2】。
世界的萬物之間都存在引力，引力使得兩個(gè)質(zhì)量互相吸引。一個(gè)系統(tǒng)中，如果沒有別的足夠大的斥力來平衡這種吸引力的話，所有的物質(zhì)便會(huì)因?yàn)橐ξ絹碓娇拷絹碓骄o密地聚集在一起，并且，這種過程進(jìn)行得快速而猛烈，該現(xiàn)象被稱為“引力塌縮”。在通常所見的物體中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，并不發(fā)生引力塌縮，那是因?yàn)樵又械碾姶帕υ谄鹬胶獾淖饔谩?/p>
在恒星形成和演化過程中存在引力塌縮。所有恒星都是從分子云的氣體塵埃坍縮中誕生的，隨之凝聚成一團(tuán)被稱為原恒星的高熱旋轉(zhuǎn)氣體。這一過程也經(jīng)常被稱作引力凝聚，凝聚成原恒星之后的發(fā)展過程則取決于原恒星的初始質(zhì)量，因?yàn)樘柺强茖W(xué)家們最熟悉的恒星，所以在討論恒星的質(zhì)量時(shí)，一般習(xí)慣將太陽的質(zhì)量看成是1，也就是用太陽的質(zhì)量作為質(zhì)量單位。
質(zhì)量大于十分之一（太陽質(zhì)量）的恒星，自身引力引起的塌縮將使得天體核心的溫度最終超過1,000萬度，由此而啟動(dòng)質(zhì)子鏈的聚變反應(yīng)，氫融合成氘，再合成氦，大量能量從核心向外輻射。當(dāng)天體內(nèi)部輻射壓力逐漸增加并與物質(zhì)間的引力達(dá)成平衡之后，恒星便不再繼續(xù)塌縮，進(jìn)入穩(wěn)定的“主序星”狀態(tài)。我們的太陽現(xiàn)在便是處于這個(gè)階段，如圖2-2所示。
質(zhì)量太小（小于0.08）的原恒星，核心溫度不夠高，啟動(dòng)不了氫核聚變，就最終成不了恒星。如果還能進(jìn)行氘核聚變的話，便可形成棕矮星（或稱褐矮星，顏色看起來在紅棕之間）。如果連棕矮星的資格也夠不上，便只有被淘汰的命運(yùn)，無法自立門戶，最終只能繞著別人轉(zhuǎn)，變成一顆行星。
圖2-3：褐矮星假想圖
太陽的主序星階段很長(zhǎng)，100億年左右，到目前為止，太陽的生命剛走了一半，所以我們?nèi)祟愡€可以穩(wěn)當(dāng)?shù)乩^續(xù)50多億年與目前差不多的日子，大可不必焦慮。
盡管來日方長(zhǎng)，但恒星內(nèi)部的氫，即熱核反應(yīng)的燃料，終有被消耗殆盡的那一天。對(duì)太陽而言，從現(xiàn)在開始，溫度將會(huì)慢慢升高，當(dāng)它100億歲左右，核心中的氫被燒完了，核心區(qū)域就會(huì)收縮，溫度升高而點(diǎn)燃了氦聚變碳的過程。于是，太陽會(huì)突然膨脹起來，體積增大很多倍，形成紅巨星。那時(shí)候，地球的災(zāi)難來了，將和太陽系的其它幾個(gè)內(nèi)層行星一起，被太陽吞掉。但愿那時(shí)人類的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)達(dá)到很高的程度，人類早已搬離了太陽系，去到了一個(gè)安全的地方。
太陽最后的結(jié)局是白矮星，之后不斷降溫直到黑矮星。這兒我們用“矮”字來表示那種體積小但質(zhì)量大的天體。恒星家族中有五種小矮子：黃矮星、紅矮星、白矮星、褐矮星、黑矮星。不過，天體物理中人們最感興趣的是白矮星。
人類對(duì)恒星的研究始于太陽但不止于太陽。特別是，恒星的生命周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十上百億年，比我們個(gè)人的壽命不知道大了多少倍。恒星的進(jìn)化過程緩慢，我們看到的太陽天天如此，年年如此，好像世世代代都如此。如果僅僅從太陽這一個(gè)恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，很難驗(yàn)證我們上面圖2-2中對(duì)太陽生命周期（大約140億年）的描述，我們?nèi)魏稳说囊簧校紵o法觀察到太陽過去的誕生過程，也無法看到它變成紅巨星以致白矮星時(shí)候的模樣，我們所能看到的，只不過是太陽生命過程中一段極其微小的窗口。
科學(xué)家總能夠找到解決問題的辦法，宇宙中除了太陽之外，還有許許多多各種各樣的恒星，有的與太陽十分相似，有的則迥然不同。它們分別處于生命的不同時(shí)期，有的還是剛剛誕生的“嬰兒”恒星；有的和太陽類似，正在熊熊燃燒自己的生命之火，已經(jīng)到了青年、中年或壯年；也有短暫但發(fā)出強(qiáng)光的紅巨星和超新星；還有一些已經(jīng)走到生命盡頭的“老耄之輩”，變成了一顆“暗星”，這其中包括白矮星和中子星，或許還有從未觀察到的“夸克星”？此外還有黑洞，它們是質(zhì)量較大的恒星的最后歸宿，可比喻為恒星老死后的尸體或遺跡。觀測(cè)研究這些形形色色的處于不同生命階段的恒星，便能給予我們豐富的實(shí)驗(yàn)資料，不但能歸納得到太陽的演化過程，還可用以研究其它天體的演化，星系的演化，以至于宇宙的演化。
更多有關(guān)恒星的演化過程，將在后續(xù)文章中繼續(xù)介紹。下一篇，我們將繼續(xù)啟動(dòng)飛船，飛向銀河系，去探索更多的星星。
更多有關(guān)恒星的演化過程，將在后續(xù)文章中繼續(xù)介紹。下一篇，我們將繼續(xù)啟動(dòng)飛船，飛向銀河系，去探索更多的星星。
本文首發(fā)于《太空聯(lián)盟》（微信號(hào)：space_union），《知識(shí)分子》獲作者授權(quán)刊發(fā)，略有修訂。
參考文獻(xiàn)：
【1】Bill Bryson， A Short History of Nearly Everything[M]., Broadway Books， pp.123-148, 2004，
【2】Grupen, Claus, Astroparticle Physics[M]., Springer，pp.123-148, 2006.
太空聯(lián)盟（微信號(hào)：space_union）
聯(lián)盟宣言
我們生活在地球上，但心向太空
我們生活在現(xiàn)實(shí)中，但為未來而生
只要是天上的，就是我們關(guān)心的！
聯(lián)系客服
