恒星的一生

當我們仰望天空的恒星時，往往會覺得它們沒有變化。的確，我們今天看到的天空和我們的祖先5000 年前所見到的天空景象區別不大，那時，他們最初把恒星連接成星座：如大熊座、金牛座、巨蟹座等等。

但是恒星確實是變化的。正像我們人類一樣，它們也經歷誕生、生存和死亡的階段。和人類相比，恒星的壽命很長——好幾百萬年，因此，我們人類的肉眼幾乎覺察不到各個恒星的變化。

然而，天文學家們卻能識別出處于不同生存階段的恒星，編寫出它們的履歷。同樣，天文學家們也能辨別出正在誕生的恒星、青壯年時期的恒星和行將滅亡的恒星。那么，他們又是怎樣知道恒星處于一生中的哪一個階段呢？答案來自以物理學定律為基礎的恒星生命的詳細理論。這種“恒星演化”理論是20 世紀最偉大的科學成就之一。

新星誕生在無限的太空

恒星是在充滿稀薄氣體的太空中誕生的。這種氣體主要是由氫原子和少量氦構成的。在太空中的某些地方，氣體凝集成相當密集的星際氣云。

根據萬有引力理論，氣云靠本身的引力自我吸引。引力將氣云往里吸引，然后將其壓縮至更高密度。氣云中心應是受壓最甚的區域。天文學家認為在這種氣體中，有的將凝聚成一個個的“圓團”，每個圓團靠自身引力吸引在一起。氣體受壓，溫度便升高。因此，圓團的中心溫度可高達1000 萬攝氏度——這樣高的溫度足以引發核反應。核反應將氫轉變為氦，并生成大量能量。于是，圓團開始發光，這時，便誕生了一顆新星。

遺憾的是，普通望遠鏡實際上并不能向我們揭示恒星在星際氣云中的誕生。這主要是塵埃粒子所造成的。微小的塵埃粒子——其大小與紙煙煙霧粒子相似——在太空中與氣體混合在一起。在較密的氣云中，塵埃更集中，其粒子吸收了經過云層的光。結果，我們把這些氣云看成是遙遠恒星的背景之上的暗黑輪廓。最有名的暗云是“煤袋”，它在南半球用肉眼就能看到。塵埃還妨礙我們觀察暗云內部——新星的誕生地——所發生的變化。

近些年來，天文學家已解決了這個難題。他們研制出了一種能探測紅外輻射而不是光的望遠鏡。太空中的塵埃粒子不吸收紅外輻射，因此，紅外望遠鏡能探測來自密云內部的紅外輻射，從而能“看”到那里孕育著的新星。最成功的紅外望遠鏡安裝在1983 年射入軌道的一顆人造衛星——紅外天文衛星（IRAS）上，它已發現了成千上萬深藏在星際氣云里的年輕恒星。

天文學家們發現氣團以一種相當奇異的方式塌陷。氣團的中心部分迅速內落，而外部隨之下落的速率則較慢。氣團還相當緩慢地自轉著。但隨著外殼的內落，氣團越轉越快——就像溜冰者放下雙臂，他們旋轉加快一樣。這樣，內陷的氣體就形成了一個環繞著位于中心的新生恒星的圓盤；而中心的氣體越壓越緊，足以引發核反應。在圓盤內部，混合在那里的氣體和塵埃最終形成一系列環繞新恒星運行的行星。

新星一旦發光，就形成一股強勁的熱氣之“風”，在圓盤上下按相反方向奪路沖出。此風驅散了掩蓋著新星、阻礙人們觀察的大部分原生氣云。這時，用普通望遠鏡就能觀察到年輕的恒星了。它們照亮了殘余的原生氣云，使其熠熠發光，形成明亮的星云。

每個星云都圍繞著年輕恒星的“保育室”，形成了天空中一些最為壯觀的景色。最著名的是獵戶星云，冬季在歐洲用肉眼就能看到：巨大的獵戶座恒星區的一塊薄霧狀淺斑。

壯年時期：主序

恒星誕生時，是一個熱的氣體球，主要成分是氫，恒星之所以發光是因為在其中心進行的核反應將氫轉變為氦。在這一點上，所有新生的恒星都相同。恒星互相區別的主要標志是其質量——它所包括的物質量。恒星的質量在其出生時就確定了，由質量又決定了恒星的壽命和最終的命運。

太陽是一個十分典型的恒星，現在正處于壯年期，因此，用太陽測量其他恒星是一個很方便的標準。例如，我們不說一顆星球重2萬億億億噸，卻說其質量是太陽的10倍。按這個計量法，新生恒星的質量范圍非常大，輕的是太陽的0.07倍，重的達到太陽的100倍。

在最重的恒星中核反應進行得最快，因為它們的中心溫度最高，受壓也最大。所以，較重的恒星較亮、表面也較熱。我們可以把這類恒星歸入一個確定的順序，稱為恒星類型的主序。一端是最輕的恒星，比太陽暗得多，表面的溫度僅為3000℃。太陽位居中間，表面溫度是6000℃。這個范圍的頂端是最重的恒星，亮度相當于10萬個太陽，表面溫度高達30000℃或更高。

恒星一生中的大部分時間都用于將氫轉變為氦，因此，主序階段實際上是它的壯年期。恒星的壽命長短嚴格地取決于其重量。重的恒星迅速地消耗它的核燃料，因此也就很快地耗盡了氫氣儲備。輕的恒星盡管開始進行反應時的燃料儲備很少，但卻消耗得緩慢得多，因而可存在更長的時間。

恒星的壽命太長了，使我們不易說清楚，因此我們仍然用太陽來進行比較。理論推算，作為主序星的太陽將存在100 億年，最重的恒星壽命只有太陽的1%，很輕的恒星壽命則比太陽長100倍。

像太陽這樣的恒星滅亡時，不僅僅是熄滅，而要經歷一種“中年擴散”，膨脹變成紅巨星，約為原直徑的100倍。

導致這個過程的原因在于恒星的中心，即其核心。這里的反應將氫轉變為氦。就像火中的灰燼一樣，該中心區域不產生能量。核反應繼續在氦核周圍的薄“殼”中進行，計算表明，這些反應所產生的能量比以前更多。當這股額外能量通過恒星推進時，就使得星球的外部脹大。當外層冷卻下來，星球就發出紅光，因而命名為“紅巨星”。假如我們在紅巨星中截取一個斷面，就會發現它有一個既小又密的核心和一個稀薄氣體組成的巨大的外層區域——比地球的大氣層還要稀薄。

與主序相比，紅巨星不很常見。然而，由于它們體積龐大，因此顯得很明亮，在天空中鶴立雞群。最有名的是獵戶座中的參宿四；另一個則是天蝎座中的心宿二，由于其鮮明的紅色，希臘名稱的意思是“火星的匹敵者”。

紅巨星很難保持其巨大的外層區域。這種恒星很不穩定，最終外層氣體逸進宇宙空間。在完全消失之前，氣體在滅亡中的恒星周圍形成氣泡——看上去就像太空中的發光煙圈。天文學家稱這種氣泡為“行星狀星云”，因為用小型望遠鏡觀察它們時，看起來很像一顆行星。

在恒星的外層區域消失以后，就能看見又小又熱的星核。它只有太陽直徑的1%（沒有比地球大的），而且非常之熱，以致發出白熱狀態的光，天文學家稱之為“白矮星”。白矮星一般難以發現。

當白矮星是另一顆恒星的伴星時，天文學家就可以成功地對它們進行跟蹤。第一顆發現的白矮星是天空中最亮的恒星——天狼星的伴星。由于天狼星被稱為“狗星”，因此其小伴星常被叫做“小犬星”。

白矮星不再產生任何能量。它之所以發光僅僅是因為它誕生時就這么熱。隨著時間的推移，它逐漸冷卻下來，變成黃色、桔紅色、紅色，直至——像火中的余燼一樣——從視線中完全消失。

超新星！宇宙中的爆炸

特重的恒星的結局要戲劇化得多，正如天文學家1987年在南半球觀察到的。一顆以前只能通過大功率望遠鏡看到的恒星突然爆炸了，發出的光非常明亮，以致用肉眼就能看到。這顆恒星作為超新星滅亡了。

重恒星結束了其主序階段之后，開始逐步走向超新星。這顆恒星既然已用完其中心的氫氣儲備，于是便膨脹成具有密實中心氦核的紅巨星。但事情并未結束。在如此沉重的恒星中心，壓力、溫度繼續上升，直至氦原子開始聚變成較重的元素——碳。這種反應能產生額外的能量，使恒星繼續發光。最后，持續上升的溫度、壓力又迫使碳變成更重的元素，諸如氖、硅和鐵。

星核很像一只洋蔥，中部幾層（從里向外）分別是鐵、硅、氖、碳、氦和氫。但其反應過程不可能無限制地進行下去。如果你試圖使鐵原子核聚變，該反應并不產生能量，且事實上是消耗能量的，所以這種恒星的中心極不穩定。最后發生爆炸，將恒星外層炸開。僅僅幾秒鐘內，它就徹底崩潰了。在超新星的爆炸中，來自正在崩潰的星核的能量波將恒星分散。

中子星與黑洞

超新星崩潰后，其星核又發生了什么變化呢？20 世紀30 年代在美國工作的兩位天文學家，費里茨·茨威基和沃爾特·拜得，認為它將塌縮成一顆比白矮星還小的小球，完全由稱為中子的亞原子粒子構成。

幾十年來，這僅僅是一個理論上的設想。直到1967 年秋季的一天，兩位劍橋的射電天文學家，托尼·赫威希和喬西林·貝爾，檢測到來自太空的有規律的信號。他們否定那可能是“小綠人”試圖與地球聯絡的說法，而認為他們已經發現了太空中的某種天然燈塔。這種燈塔的信號燈發出光束，仿佛信號燈在旋轉而閃爍。劍橋所接收到的信號一定是來自于正在發射無線電波束的宇宙燈塔，它大約每秒自轉一周。根據現有的知識，僅有一種恒星能自轉得如此之迅速，即“中子星”。

射電天文學家現已確定了幾百顆正在自轉的中子星（因其發射周期性無線電“脈沖”，故也稱為“脈沖星”）。其中一顆位于蟹狀星云中心，這種螺旋狀的氣云是900年前一顆超新星爆發時拋射出來的。

中子星的直徑大約只有25米，內部的物質聚集得非常緊密，以致中子星上一個針尖大小的物質具有100萬噸的質量。其引力如此之大，以致任何一位試圖登上它表面的宇航員都將被撞得粉身碎骨，分散成只有一個原子那么厚的薄薄一層。

白矮星和中子星已經夠稀奇的了，但理論上預言還有一種更古怪的“恒星尸體”——黑洞。如果崩潰中的超新星的核心質量太大（重于3 個太陽），那么它最后就不可能變成中子星。它自身的引力非常之大，以致星核繼續塌縮，直至變成一個密度無窮大的根本沒有大小的數學點。環繞著這種點的是幾千米直徑的區域，其引力如此強大，以致任何東西都不能逃脫——不僅僅是光。這個區域就是黑洞。它“黑”，是因為它不讓光逃逸，即使你試圖照亮它，黑洞也將吞噬手電發出的光束。它是一個“洞”，是因為你拋進去的東西不復再現，不論你駕上多么強大的火箭發動機也出不來。

天文學家第一次預言黑洞的存在是在20 世紀30 年代，只是過去幾年才發現它存在的一些證據。在天鵝座中有一個被稱為“Cg-gX-1”的強大X 光射線源，天文學家在天空中的該地點發現了一顆恒星。該恒星本身很普通，不產生X 射線。它圍繞著一顆普通望遠鏡所觀測不到的伴星擺動。仔細地觀察這顆可見星，天文學家們發現其不可見的伴星對物體所施加的引力是太陽的10 倍。這個引力太強了，不可能是中子星，因此，唯一的可能是黑洞。

新元素的產生

超新星不僅僅代表滅亡或者毀滅。超新星的勁風橫掃太空中的氣體，將其壓成密實的云層。這里引力便起作用使氣云塌縮，凝聚成一顆新星。

當恒星作為行星狀星云或超新星滅亡時，在太空中播下了它畢生或臨終的陣痛中所產生的新元素，如碳、鐵、金甚至鈾和其他的放射性元素。

天文學家現在堅信，宇宙初開時，在大爆炸中，氣體的成分幾乎是氫和氦。滅亡中的恒星形成了新有的其他元素，包括組成地球的硅、氧、鐵以及人體中的碳以及其他元素。因此，僅僅我們的生存就得歸功于過去無數代恒星的生生滅滅。