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大历史,小世界:从大爆炸到你_[美]辛西娅·斯托克斯·布朗【完结】(21)

  恒星的生命周期

  恒星也有生命。虽然我们并不认为恒星像地球上的生物体那样有生命,但是我们仍然用“出生”和“死亡”等词来谈论恒星。

  恒星的“生命”取决于最初形成它的物质云的大小。质量最小的恒星差不多是太阳质量的0.01倍,而最大的能达到200多倍。恒星质量越大,燃烧速度越快。质量最大的恒星仅能维持1.25万年左右,而最小的则能存在约16万亿年。

  天文学家无法观察任何单一恒星的整个生命周期,因为天文学家活不了那么久。但天文学家可以观察很多恒星,每一颗都处于不同的发展阶段。有些是刚刚形成的“恒星宝宝”,有些则是中年恒星,比如太阳,有些年纪大了,行将灭亡,比如50亿年后的太阳。

  恒星生命中的大部分时间都在稳定地燃烧氢,将其转化成氦。这个过程叫作核聚变。由于恒星中心的温度极高,4个氢原子中的质子结合起来(熔合),这样就形成了氦元素,氦核中有2个质子和2个中子。4个质子中的2个质子会释放出正电荷。根据爱因斯坦的著名方程,这样一来,质子的一小部分质量转化成大量的能量,这些能量以光子的形式进入空间。

  随着恒星燃烧,会耗尽氢原子。向外的能量流一停止,引力就开始超过向外的力,接下来会发生什么,取决于恒星的大小。

  如果恒星较小,核心会坍缩,外层散入空间。核心会变小,温度上升,成为白矮星,继续燃烧一段时间。慢慢地,白矮星的温度会降低,最终变成灰烬,成为黑矮星。这颗死亡的恒星会在宇宙空间飘荡。

  如果恒星体积较大,核心坍缩时,外层温度会升高到足以继续发生核聚变,该恒星就会变成红巨星。核心的温度会上升到足以使氦原子聚合成铍,而铍只能存在不到一秒的时间,随后便与另外一个氦核聚合,形成碳。

  氦耗尽后,恒星核心会再次发生坍缩。如果质量不足以继续,恒星就会爆炸,将碳原子散播到宇宙空间;如果质量足够,其核心温度就会上升到足以使碳原子融合成氧,然后融合成硅。在这个连续的核聚变过程中,每个后续阶段消耗的时间都会更短。

  比方说,比太阳质量大很多的恒星,可能要用几百万年的时间耗尽氢,然后用50万年左右的时间聚合成氦,然后用600年的时间融合形成碳,6个月融合形成氧,仅用1天融合形成硅。

  只要恒星有足够的质量,这个过程就会循环往复,温度也越来越高。最终,一颗有足够质量的恒星,不同的层会消耗不同的燃料,以难以想象的高温燃烧。温度达到约40亿摄氏度(约104亿华氏度)时,恒星开始制造出铁(原子序数26)。

  大恒星内部新元素的形成

  这幅图显示的是一颗古老的巨大恒星的多个层在发生核聚变。当恒星的核心开始产生铁时,恒星就会坍缩,而且如果质量足够,就会发生超新星爆发。

  之后,恒星到达终点。铁是最稳定的元素,它的核不会聚合。因此,通过原子核的聚合(核聚变)产生新元素的过程也就到此为止了。随着燃料耗尽,不再有能量流来抵消引力。随之而来的快速坍缩会释放大量能量,行将死亡的恒星会发生剧烈爆炸,这种爆炸被称作“超新星爆发”。

  超新星

  超新星是指某个超级巨大的恒星,在生命末期发生的剧烈爆炸。超新星一个月左右的时间释放的能量,比太阳终其一生释放的能量还要多。超新星爆炸威力巨大,能将新类型的原子散播到整个星系。

  假如距离地球500光年以内发生超新星爆炸,那我们就都会被烤焦。但是,宇宙那么大,多数超新星距离我们太远,它的光到达地球时,也只是闪烁一下。天文学家给我们吃了一颗定心丸,据他们观察,没有离地球很近的超新星能把我们变成烧烤。(科学家认为,《圣经》上记载的2000多年前耶稣诞生时,天空中出现的明亮星星,或许就是一颗超新星。)

  距离地球足够近、能让肉眼看到的超新星并不多。一次发生在1054年,中国的天文学家看到了。但欧洲历史上并没有相关记载。借助望远镜我们依然能够看到它的残留,叫作“蟹状星云”。(参见http://www.spacetelescope.org/images/heic0515a/)

  1987年在地球上看到的超新星,是肉眼能够看到的最近的一次超新星爆发,在南半球仅凭肉眼刚好能看到。这次超新星爆发发生在临近的一个较小的星系——大麦哲伦云,距离地球16.9万光年。由于它的光到达地球需要16.9万年的时间,因此我们看到的是16.9万年之前发生的事。由于这是自望远镜发明以来,第一次肉眼能看到的明亮的超新星爆发,所以天文学家都格外兴奋。

  在中等大小的星系,一世纪才会发生一次超新星爆发。因此,天文学家颇费了一些时间进行观察,才搞明白它们到底是什么。20世纪30年代,洛杉矶加州理工学院的天体物理学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky),创造了英语中的“超新星”(supernova)这个新词,但直到1957年,剑桥大学的弗莱德·霍伊尔(Fred Hoyle)才与他人合作弄明白了更重、更复杂的原子是如何在超新星爆发中形成的。

  罗素·热内

  自动观星者

  罗素·热内(Russell Genet)是一个自学成才的研究者,他能用小型的、便宜的电脑控制望远镜。


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