【传奇和壮丽】 壮丽

　　从红巨星到白矮星 　　 　　我们的太阳衰老时将变成红巨星，体积逐渐膨胀到淹没水星、金星和地球的程度，但由于物质密度非常低，几近真空，所以并不影响这些行星的运行。内部的核聚合反应到生成碳、氧、氖为止。由于没有核反应提供热能，原来与引力对抗达到平衡的气体压力，因温度的逐渐降低而降低，使引力逐渐占了上风。由碳、氧、氖组成的内核在引力作用下坍缩，密度逐渐增大，成为一颗致密的白矮星，密度达1吨／厘米3(太阳的密度为1克／厘米3)，相当于一个乒乓球的体积充满着几百吨物质。白矮星的巨大引力，最终几乎吸收掉整个红巨星的物质。
　　红巨星的物质在引力作用下坍缩成白矮星的过程中，引起被压缩物质的反弹。本来，物质原子核外的电子，每一个都占有一定的空间，由于压缩，电子所占有的空间缩小了，这叫电子简并，由于这种电子简并，会产生一种巨大的电子简并压力，以抵抗引力引起的收缩。随着白矮星质量的增加，收缩加剧，引起电子简并压的反弹，然后再收缩。这样经过几百万年的反弹－收缩振荡过程，在最后一次最强烈的收缩引起的最强烈的反弹中，使红巨星的亮度突然增大1000万倍，同时释放出巨大的能量，把外层气体抛洒到太空。这叫新星爆发。新星爆发后，中心的白矮星裸露出来，它是红巨星死亡后的遗骸。天狼星伴星就是一颗白矮星。比较暗淡。白矮星可维持几十亿年，最后变成一颗看不见的黑矮星。
　　白矮星的质量是有极限的。1928年，印度的萨・钱德拉塞卡坐船到英国去作爱丁顿的研究生时，在船上算出这个极限是1.5M⊙ 。几乎在同一时期，苏联的列・蓝道也算出这个极限。但后来这个极限被称为钱德拉塞卡极限。经过改善，钱德拉塞卡极限现为1.4M⊙。所有1～6M⊙的恒星死亡后，都会形成1.4M⊙以下的白矮星。
　　
　　从红超巨星到中子星
　　
　　6～10M⊙的恒星，年老时膨胀为红超巨星。最后中心形成铁元素核心，温度达10亿度，由于没有能量流出，铁核心在巨大的引力压缩下剧烈收缩，温度可在1/10秒内猛升到50亿度，巨大的光子能将铁原子核炸开，铁原子核蜕变为氦原子核。这叫光致蜕变。
　　由于铁核心的平衡发生急剧变化，无法抵挡越来越大的引力坍缩，温度继续上升，又使氦核蜕变为质子、中子和电子。电子在这极高的温度下，运动速度接近光速，可在1/10秒内与质子结合，变成中子。同时释放出巨大的能量――中微子流，使温度进一步升高，产生更多的中子。最后形成一个中子核心――中子星。
　　中子星的物质密度达1015克／厘米3，相当于1只戒指中有1亿吨物质。物质达到中子星的密度，就不能进一步被压缩(这为什么，请读者思考)。红超巨星的非中子化的外壳，在中子星的强大引力作用下，数以万亿吨的物质以约4万千米／秒的速度落到中子星的表面上，好像撞在比金刚石还坚硬的墙上，结果被反弹回来，形成冲击波。冲击波由中心向外传播，在几天之后到达红超巨星的外壳表面，它极其巨大的能量将外壳爆得粉碎，光度突然增大几十亿倍，在几天之内释放出来的能量，相当于这颗恒星在主序星阶段辐射出来的全部能量，并把在各级核聚合反应中形成的碳、氧、氖、镁、硫、硅和磷等较重的元素洒向太空，中子星被裸露出来。这就是超新星爆发。
　　
　　历史记载的超新星爆发
　　
　　中国史书中记载了最早的几次超新星爆发，一次在汉灵帝中平2年(公元185年)，发生在半人马座，持续20个月能被看到；一次在晋孝武帝太元21年(公元396年)，发生在天蝎座，持续8个月能看到；一次在唐敬宗宝历3年(公元827年)，也发生在天蝎座。
　　中国史书还记载，在宋真宗景德3年(公元1006年)，豺狼座发生超新星爆发，其亮度持续25个月超过月亮。阿拉伯人、日本人和欧洲修道士也记载了这次超新星爆发。
　　宋朝天文学家杨惟德，在宋仁宗皇 6年(公元1054年)对金牛座的一次超新星爆发作了详细的记载。在日出前几分钟，一颗“客星”升起到地平线上，比金星和天空中任何明亮的星都亮得多，在23天里白昼也能看得见，两年之内夜晚能看到。日本人也观察到这颗超新星。
　　1731年，英国业余天文学家约・贝维斯在金牛座发现一个星云，1844年被命名为蟹状星云。1919年天文学家隆德马克根据翻译的中国史料，意识到蟹状星云与1054年超新星之间的联系。1928年埃德温・哈勃测定蟹状星云的膨胀速变后，推算它的年龄大约是900年，这就证实了蟹状星云正是1054年超新星爆发后留下的残余气体。
　　1572年，丹麦天文学家第谷・布拉赫在天后座观察到超新星。1937年，弗・兹维基和瓦・巴德根据这颗新星离我们非常遥远，但又比普通新星亮得多，给它取了现今这个“超新星”的名字，并命名为“第谷超新星”。
　　1604年(明神宗万历32年)，中国、朝鲜和欧洲都观察到蛇夫座一颗超新星，后来命名为开普勒超新星。1943年，巴德发现这颗超新星爆发后留下的星云。
　　1987年2月23日，加拿大天文学家伊・谢尔顿和他的助手在大麦哲伦星云发现一颗超新星。在这前一天，日本科学家在神冈地下深锌矿井里安装的质子衰变测试装置(灌满2000吨纯水的容器和周围的一些高灵敏度质子探测仪器)，在11秒钟内记录到不下11次的质子与中微子的碰撞。同时，在美国俄亥俄州一座盐矿井里的类似装置，也记录到8次中微子碰撞。科学家认为，这种中微子正是那颗超新星爆发产生的。几小时后，澳大利亚天文学家在大麦哲伦星云中证认出那颗超新星，是一颗温度极高的蓝色超巨星“桑杜里克-69202”。苏联和平号空间站上的量子1号舱，也探测到这次超新星爆发。
　　
　　发现中子星的故事
　　
　　1932年，杰・查德威克在实验室发现了中子。几乎在这同时，列夫・蓝道也发现了中子，并预测宇宙中有由中子组成的恒星。两年后，弗・兹维基和瓦・巴德提出中子星存在的理论，到1939年，罗・奥本海默和格・沃尔科夫建立了完整的中子星理论。
　　1967年冬，剑桥大学天文学家安・休伊什的研究生乔・贝尔，正在负责检查和改进一台新射电望远镜，当她在查看测量遥远射电源辐射的记录资料时，在210米长的微米波纸带上，发现每隔1.3373秒出现一次电脉冲信号，周期非常精确。开始，她和她的老师以为是像科幻小说《小绿人》中那样的外星人，瞄准我们发出的联络信号。并将先后发现的这种信号称为“小绿人1”号和“小绿人2”号等等。
　　在1968年又发现多个脉冲信号源以后，认定那不是什么外星人发出的联络信号，而是一种产生电脉冲的星球，被命名为脉冲星。这一年，理论天体物理学家弗・帕齐尼和托・歌尔德等人指出脉冲星是一种快速旋转的中子星。
　　中子星几乎继承了红超巨星的全部质量，而直径(几十千米)却极大地缩小了，根据角动量守恒原理，直径缩小，旋转速度加快，所以旋转速度极大地加快了。同时，巨大的收缩也极大地增强了磁场。运动的带电粒子(电子和质子)被磁场加速，沿磁轴方向发出射电波。由于磁轴与中子星的旋转轴不重合，所以中子星每旋转一圈，射电束就扫过进行观测的射电望远镜一次，成为电脉冲信号。
　　
　　科学争鸣
　　
　　一些科学家认为，在红超巨星中首先形成的并不是中子星，而是白矮星，在质量超过1.4M⊙时，才坍缩成中子星，同时释放出巨大的能量，引起超新星爆发。还有一种意见认为，红超巨星中形成的白矮星，主要由碳组成，由于碳原子核的聚合反应而发生碳爆炸，将白矮星连同整个红超巨星炸毁，没有白矮星遗留下来。1978年11月13日美国发射的“高能天文台2”号卫星(又称爱因斯坦天文台)，在仙后座探测到300年前一次超新星爆发后的残余气体，而在它们的中心并没有发现中子星。1572年天后座第谷超新星和1604年蛇夫座开普勒超新星爆发的中心，也没有找到中子星。这些观测似乎给这种理论以支持。
　　
　　从红超巨星到黑洞
　　
　　蓝道、奥本海默和沃尔科夫等人研究发现，红超巨星中心的中子星，其质量超过2.5M⊙ 时，会在不到1毫秒的时间内，突然坍缩为一个黑洞，释放出来的巨大能量，将红超巨星的外壳炸得粉碎。这种超新星爆发非常强烈，把外壳中的各种物质加热到极高的温度，使它们在短暂的时间内发生核聚合反应，金、铅和铀等比铁更重的元素被产生出来。不过，这些核聚合反应只吸收能量而不释放能量，使温度急骤降低，核聚合反应停止，新生成的重元素连同其它元素被一起抛洒到太空。
　　恒星死亡时洒向太空的氢、氦和少量的重元素，成为组成下一代恒星的材料。我们的太阳，就是由98%的氢和氦、2%的重元素组成的，并在50亿年前放出光芒。恒星至今仍在太空中形成着。这类恒星被称为星族Ⅰ，与宇宙大爆炸后形成的星族Ⅱ相比，它们有由前代恒星制造的丰富的金属元素，它们一般在旋涡星系的盘里。我们的太阳就是在银河系的圆盘里。
　　恒星死亡时洒向太空的各种元素，特别是重元素，成为组成行星和生命的材料。我们知道，地球上的万物，不管是岩石、土壤，还是草木和飞禽走兽等生命物质，除了宇宙诞生后不久就有的氢、氦以外，其它的碳、氧、硅、镁、硫、磷、钙、铁等成分，它们全部是在恒星的演变过程中产生出来的。而且，生命物质的诞生、发展和进化，还离不开恒星提供的光和热。没有恒星的核灰烬，就没有构成行星的岩石、土壤等材料，就没有今天的金矿、铅矿、铀矿和铁矿；没有恒星死亡的灰烬，就没有构成生命所需要的碳、氧、钙、磷等元素；没有恒星提供的光和热，就没有生命的起源，就没有生物的进化，就没有今日地球上葱茏的万物，就没有智慧的人类。
　　总起来说，没有恒星的演变，就没有宇宙的演变。恒星的一生确实传奇而壮丽。（巨尤）★
　　下一期将介绍宇宙的整体结构、形状和大小。