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第20章 恒星探秘(2)

在天鹅星座Deneb星(天鹅星座的一等星)方向上,有一个巨大的、由炽热的气体组成的超级发光气团,它可能是气团中心附近发生的超新星大爆炸和旧恒星泯灭产生的。在其外缘,星际物质在超新星冲击波的重压下,触发出新一轮的星云引力崩塌和新星的形成。从这个意义上说,星体也有双亲,双亲之一可能在孩子出生时死亡,正如人类有时也会发生这种情况一样。

像猎户座星云那样巨大的高度压缩的复合星云,能成批地产生像太阳一样的恒星。从外部看,这样的星云表面似乎暗淡无光,但星云内部却被炽热的新生星体照耀得灿烂辉煌。后来,这些星体离开了它们的生育之地。遨游到银河系去,在那里寻求自己的前程。成长起来的星体周围仍然带有成簇的发光云雾,它们是在引力作用下仍然吸附着的原生气体的残余。金牛座的昂星团是一个最新的例子。像人类的家庭一样,成年后的星体也会离家远走,致使兄弟姊妹之间很少团聚。在银河系的某些空间就有太阳的兄弟姊妹,其数目可能多达几十个,而且是由同一个星云在50亿年前产生的。但是,我们目前还不清楚它们都是哪些星体,只知道这些星体可能位于银河系的另一侧。

在太阳中心,由氢转化为氦的反应不仅发射出可见光的光子而使太阳光芒四射,而且还产生更神秘的、难以捉摸的辐射:太阳靠中微子发出微弱的光。中微子与光子一样,无重量,以光速传播,但中微子不是光子,它不是一种光。中微子与质子、电子和中子一样,具有固有的角动量,或称为“自旋”,而光子是根本没有自旋的。对中微子来说,物质无所不能穿透。它几乎能毫不费力地穿过地球和太阳,只有极小部分被干涉物质阻滞而不能通过。在我们朝太阳直视一秒钟时,有10亿个中微子穿过我们的眼球。当然,中微子不会像光子那样停留在视网膜上,而是势不可挡地穿过我们的头。奇妙的是,在晚上,我们低头朝着太阳的方向——地面时(就好像我们的脚下没有地球把太阳挡住一样),几乎有等量的太阳中微子穿过我们的眼球。像可见光可以轻易地穿透玻璃那样,中微子可以轻易地穿透地球。

如果我们对太阳内部的认识能像我们所想象的那么透彻,而且又懂得中微子产生的核物理学,那么我们就可以准确地计算出单位时间内在单位面积上所接收到的太阳中微子数量(譬如在我们的眼球上每秒钟所接收到的中微子数)。然而,要用实验的方法验证计算所得到的数据是相当困难的。因为我们不可能捕捉到穿过地球的中微子。但在大量的中微子中会有一小部分与物质相互作用,在条件适当的情况下还是可以检测到的。中微子偶然问可以将氯原子转变成氩原子,但质子和中子的总数不变。我们需要大量的氯,才能验证所谓的太阳中微子流的预言。为此,美国物理学家把大量洗涤液倒进南达科他州利德地区的霍姆斯特克矿井,采用微量化学的方法,从氯中除去新生的氩。从而可推断:产生的氩愈多,中微子也就愈多。实验表明,太阳的中微子比计算所预计的要少。

这至今仍然是一个不解之谜。虽然低太阳中微子流不至于危及我们关于星体核合成的理论,但肯定具有某种不可忽视的意义。有的人认为,中微子在从太阳到地球的迁移过程中裂成碎片;有的人认为,太阳内部的核火焰被暂时封闭,缓慢的引力收缩过程是产生现在这种太阳光的原因之一。当然。中微子天文学还是一门非常新的学科。但是,目前我们已经发明了一种奇妙的工具,可以用它直接观察炽热的太阳核心。随着中微子望远镜灵敏度的提高,我们还可能观测邻近星体深处的核聚变反应。

由于在太阳或者其他星球的核心里的氢燃料是有限的,氢的聚变不可能永远持续下去。一个星体的命运,一个星体的生命周期的完结,在很大程度上取决于它的原始质量。一个星体在太空中消耗了它的部分物质之后,如果它的质量还有太阳的质量的二三倍,那么,它的生命循环方式将与太阳截然相同。但是太阳的运数已够壮观了。五六十亿年以后,当太阳中心的氢全部转化成氦的时候,氢聚变区将慢慢向外——向热核反应的膨胀壳——迁移,迁移到温度约为1000万度的区域。同时,太阳的自重将迫使其富含氦的核心重新收缩,使内部的温度和压力又进一步升高。氦核将更密集地堆集在一起,以致开始互相渗透。尽管存在着电荷间的斥力,但此时近程核吸引力开始起作用。灰烬又变成燃料。太阳将开始第二轮核聚变反应。

这个过程将产生元素碳和元素氧,为太阳在一定的时间内的继续发光提供新的能源。星球犹如埃及神话中的凤凰。相传这种鸟每500年自行焚化一次,然后由灰中再生。在太阳外壳的氢聚变和太阳中心的高温氦聚变的共同作用下,太阳将发生根本的变化:外层膨胀、温度降低,变成一颗红色巨星。它的外表将远离其内核,结果表面引力将变得很微弱。它的大气层将以星球飓风的形式扩散到宇宙空间。当太阳膨胀成一颗红色巨星时,它将把水星和金星——甚至地球——完全吞没。整个内太阳系都将被太阳吃掉。

再过几十亿年,地球上的美好时期就会结束。以后太阳将慢慢地发红、膨胀。整个地球,包括两极,都将酷热无比。地球北极和南极的冰冠将消融,整个地球会成为一片汪洋。由于高温,更多的海水将蒸发到空中,使天空变得雾气腾腾。因为云雾遮住了阳光,地球的末日可能向后推延。但太阳的演变是无情的。海水终将沸腾,大气层势必蒸发到太空中去,我们这颗行星将遭受到最大的灾难。到那时,人类肯定会进化成另一副模样。我们的后代也许能控制或调节星体的进化,或者只好卷起铺盖,搬到火星、土卫二或土卫六上去住,或者像R·戈达德所设想的那样,到某个年轻的、充满希望的行星系去寻找尚未开发的新天地。

利用太阳的星尘做燃料是有一定限度的。总有一天,太阳内部将完全由碳和氧组成,那时的温度和压力将无法继续维持核反应。当太阳中心的氦快用完时。其延缓的崩塌过程将重新开始,温度将再度上升,从而引发最后一轮的核反应,并使大气层相应地有所膨胀。在这最后毁灭的过程中,太阳将发生缓慢的脉动,每隔几千年伸缩一次。最后,大气层中的物质都将被抛入宇宙空间,形成一个或几个同轴的气壳。因为太阳炽热的核心已经暴露,它的紫外光会将气壳淹没,还会形成斑斓缤纷的红色和蓝色的荧光,一直延伸到冥王星轨道以远的空间。

太阳中的一半物质大概会以这种方式损耗掉。到那时,太阳崩溃所产生的强光将充满整个太阳系。

当我们从地球这个银河系的角落里举目四望时,我们可以看见许多星体被闪光的球形气团——行星状星云——所包围。这些星体并不是行星,不过其中有些很像在低倍望远镜里所看到的天王星和海王星的蓝绿色圆盘。这些气团乍看起来呈环形,因为它们像肥皂泡一样,边缘比中心看得更清楚。所有行星状星云都是恒星的外层标志。在靠近星体中心的区域可能有一些已经死亡了的天体。它们是曾经充满生机的行星的残骸,现在既无空气也无海洋,笼罩在微弱的亮光之中。太阳的残骸,即裸露的太阳核,最初包裹在行星状星云之中,后来变成一个炽热的小星球。它在空间逐渐变冷、收缩,密度大到空前惊人的程度——一汤匙大小的物质重达1吨以上。再过几十亿年,太阳就会退化成一颗白矮星,像我们所看到的行星状星云中心的亮点。它的表面高温度逐渐冷却,最终成为一颗暗淡无光的、死气沉沉的矮星。

质量大致相同的两颗恒星的演化速度大抵相同。不过,质量较大的恒星核燃料的消耗速度要快些,变成红巨星的时间也会早些,而且会首先衰退成白矮星。因此,应该有、也确实有许多双星体存在。在这些双星体中,一个是红巨星,另一个是白矮星。有些双星体紧靠在一起,灼热的星气流便直接从膨胀的红巨星流向致密的白矮星,在白矮星表面的某个特定的区域着陆。氢原子在白矮星的强引力作用下、不断地聚集在一起,压力和温度不断地升高,直到来自红巨星的大气物质发生热核反应,使白矮星短暂地闪烁出明亮的光辉。这样的双星体称为新星,其来源与超新星大不相同。新星只能在双星体系内形成,其能量来源于氢原子的核聚变。而超新星则只存在于单星体之中,其能量来源于硅原子的核聚变。

在星体内部合成的原子通常都要返回到星际气体中去。红巨星会将它们的外大气层喷射到星际空间去,行星状星云就是类太阳恒星不断喷射其外层物质后的最终产物。超新星迅速地将它的大部分物质喷射到星际空间去。返回星际气团的原子自然是星体内部热核反应最易产生的原子:氢原子聚变成氦,氦聚变成碳,碳聚变成氧。在大恒星内,由于氦核不断增加,形成了氖、镁、硅、硫等物质。氦核是逐步增加的,每次增加2个质子和2个中子,一直到生成铁为止。硅原子的聚变也能直接形成铁原子,因为1个硅原子含有28个质子和中子,在几十亿度的高温下,两个硅原子就可以结合成一个含有56个质子和中子的铁原子。

以上都是我们熟悉的化学元素。这样的星际热核反应并不容易生成铒、铪、镝、镨或钇,却容易生成我们日常生活中常见的元素。这些元素返回星际气团,在随后发生的星云崩塌及恒星和行星形成的过程中散尽。除了氢和部分的氦以外,地球上的所有化学元素都是几十亿年前的星体中的某种星体灶制造出来的。这些星体有一部分已经变成白矮星,默默无闻地呆在银河系的另一侧。人体脱氧核糖核酸中的氮,牙齿中的钙,血液中的铁,以及苹果馅饼中的碳,都是在崩塌的星体内部形成的。因此我们可以说,人体是由星体物质构成的。

某些稀有元素则是在超新星的爆炸过程中形成的。地球上金和铀的含量之所以比较丰富,就是因为在太阳系形成之前发生过许多超新星的爆炸。其他行星系中稀有元素的含量可能与地球不尽相同。是否存在这样一些行星,它们的居民炫耀着铝制的首饰、钋制的手镯,而金子却是实验室中难得的珍品呢?假如地球上的金和铀也像镨一样鲜为人知,无足轻重,那么我们的生活是否会大大地改观呢?

生命的起源和进化,在本质上是与星体的起源和演化息息相关的。首先,构成人体的物质以及使生命活动成为可能的原子,都是很久以前在遥远的红巨星上形成的。宇宙中发现的化学元素的相对丰度,与恒星中所产生的原子的相对丰度极其吻合,因此,我们有理由相信,红巨星和超新星就是炼制物质的锅和灶。太阳是一个第二代或第三代的星体,太阳中的所有物质以及在我们周围所看到的所有物质,都是星际锅灶在前一轮或前两轮的循环中炼制的。其次,地球上还存在着某些重原子,这一事实表明,在太阳系形成之前不久,可能有一颗较近的超新星发生过爆炸。这次爆炸不大可能是一种偶然的巧合,而可能是由于超新星爆炸所形成的冲击波压缩了星际气体和尘埃,从而导致了太阳系的凝聚。第三,太阳出现之后,它的紫外线大量射入地球大气层,它的热度产生了光照,从而激发了导致生命起源的复杂的有机分子。第四,地球上的生命几乎都离不开阳光。例如,植物吸收光子后将太阳能转化成化学能,动物则以植物为养料。人类的种植活动只不过是利用植物作为媒介来获取太阳光而已。因此我们可以说,我们每个人都是以太阳作为能量来源的。最后,遗传学上的变异为进化提供了原始的材料。变异是大自然选择新生命形式的手段,而宇宙射线——超新星爆炸时以近于光的速度射出的高能粒子——则是产生变异的原因之一。遥远的大恒星的死亡是地球上生命进化的原动力之一。

假如我们把一个盖格计数器和一块铀矿石带到地下深处,譬如说,放在一个金矿井深处,或放在一个火山熔岩洞——由融化的岩浆流过地球而切开的洞穴——深处,当它们受到γ射线或像质子和氦核这样带电高能粒子的照射时。灵敏的计数器就会检测出来。如果把计数器移近铀矿石,计数速率(即计数器每分钟发出的咔嗒声)就会迅速增加,因为铀矿石在自发的核衰变中能释放出氦核。如果把铀矿石放在一个厚的铅筒内,计数速率就会大大减少,因为铅能吸收铀的辐射。但还是可以听到计数器发出一些咔嗒声,其中一部分咔嗒声是由洞壁的天然放射性引起的,一部分是由穿透洞顶的带电高能粒子引起的。我们听到的是很久以前在太空深处产生的宇宙射线的声音。在地球的整个生命史中,这种主要由电子和质子组成的宇宙射线一直在不停地撞击着地面。上万光年以外的星体在消亡过程中所产生的宇宙射线,有一部分经过几百万年才穿过银河系,碰巧撞上地球以及我们的遗传物质。在生命遗传码的形成、寒武纪爆炸或我们祖先进化成两足直立动物的某些关键阶段,很可能就是由宇宙射线触发的。

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