第十一章 创世年代 (1/2)

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    一、行星的诞生

    对我们这些生活在世界七大洲（包括南极洲在内）的人来说，“地面”一词几乎与稳定持久同义。对我们而言，地球表面的所有那些熟悉特征，它的大洲大洋、山川河流，仿佛自开天辟地以来就存在着。诚然，地质学的历史资料表明，地球表面一直在不断变化，大面积的陆地可能被海水淹没，被淹没的土地也可能露出水面。我们还知道，古老的山脉会逐渐被雨水冲刷，新的山脊也会因地壳活动而不时产生，但所有这些变化仍然只是坚固的地壳发生的变化。

    但不难看出，必定曾有一段时间，根本没有这种坚固的地壳存在，那时地球是一个灼热的熔岩球体。事实上，对地球内部的研究表明，大部分地球仍然处于熔融状态。我们不经意说出的“地面”其实只是浮在岩浆表面的一层薄壳。要想得出这个结论，最简单的方法就是测量地下不同深度的温度。结果表明，深度每下降1千米，温度就上升约30℃（或每下降1千英尺，温度就上升16℉）。因此，比如在世界上最深的矿井（南非的罗宾逊金矿）中，井壁是如此灼热，以至于必须设置一种能调节空气的植物，否则矿工们会被活活烤熟。

    按照这种增长率，到了地下50公里也就是不及地球半径百分之一的地方，温度就会达到岩石的熔点（1 200℃到1 800℃）。继续往下，占地球物质逾97%的物质都必定处于完全熔融的状态。

    这种状况显然不可能永远存在。我们现在看到的仍然是一个逐渐冷却过程的某个阶段，该过程开始时，地球还是一个完全的熔融体，未来结束时，整个地球将完全凝固。由冷却速率和地壳生长的速率粗略计算一下即可得知，这个冷却过程必定开始于几十亿年前。

    通过估算形成地壳的岩石的年龄，也可以得到同样的数字。虽然初看起来，岩石好像没有显示出可变的特征，因而会有“不变如岩石”这种说法，但实际上，其中许多岩石都含有一种天然时钟，它能使富有经验的地质学家判断出这些岩石从之前的熔融状态到凝固经过了多少时间。

    这种暴露岩石年龄的地质钟正是微量的铀和钍，它们常常可见于地面和地下不同深度的岩石。我们曾在第七章看到，这些元素的原子会自动进行缓慢的放射性衰变，最后形成稳定的元素铅。

    为了确定含有这些放射性元素的岩石的年龄，我们只需测定出因数个世纪的放射性衰变而积累起来的铅的含量。

    事实上，只要岩石物质处于熔融状态，放射性衰变的产物就会经由熔融物质的扩散和对流过程而离开原来的位置。然而一旦熔融物质凝固成岩石，铅就会和放射性元素一起开始积累，其数量可以使我们精确地知道这个过程持续了多长时间。这就如同根据散落在两座太平洋岛屿上的棕榈林中的空啤酒瓶的相对数目，敌军的间谍就能判断出一只海军部队在每个岛屿驻扎过多长时间。

    最近一些研究利用更先进的技术精确测定了铅同位素以及铷87、钾40等不稳定化学同位素在岩石中的积累量，估算出已知最古老岩石的年龄大约为45亿年。因此我们推断，地壳一定是大约50亿年前由熔融物质形成的。

    于是我们可以想象出这样一幅画面：50亿年前的地球是一个完全熔融的球形体，外面包裹着很厚的大气层，其中有空气、水蒸气以及其他一些挥发性很强的物质。

    这团炽热的宇宙物质又是如何产生的呢？其形成是受了何种力的作用呢？这些关乎地球起源以及太阳系其他行星起源的问题一直是宇宙起源论的基本研究对象，许多个世纪以来，这些谜团一直让天文学家们绞尽脑汁。

    1749年，著名的法国博物学家布丰第一次尝试用科学手段来回答这些问题。他在四十四卷的巨著《自然志》（Natural History）的其中一卷里提出，太阳系起源于来自星际空间深处的一颗彗星与太阳的碰撞。他想象出一幅生动的图景：一颗拖着明亮长尾的彗星掠过当时孤零零的太阳表面，从它巨大的形体中撞出若干“小滴”，在冲击力的作用下，后者旋转着被送入空间（图117a）。

    a. 布丰的碰撞假说；b．康德的气体环假说

    图117　宇宙起源论的两个思想流派

    又过了几十年，德国著名哲学家康德（Immanul Kant）就太阳系的起源提出了一种截然不同的观点。他更倾向于认为，太阳是在没有任何其他天体介入的情况下自己创造了这个行星系统。康德设想早期的太阳是一团巨大而寒冷的气体，它占据着目前整个太阳系的体积，并且绕轴缓慢自转。该球体因向周围空间辐射而逐渐冷却，因此必定会逐渐收缩，旋转速度也会相应加快。由旋转产生的不断增加的离心力必定使这个原始的气态太阳逐渐变扁，最后沿其不断扩展的赤道面喷出一系列气体环（图117b）。普拉陶（Plateau）曾用一个经典实验证明了物质旋转能够形成这种圆环。他让一大滴油（不像太阳那样是气体）悬浮在与油等密度的另一种液体中，并用某种辅助的机械设备使油滴快速旋转。当转速达到某个极限时，油滴周围会形成油环。康德认为，由此形成的环后来发生了断裂，并凝聚成以不同距离围绕太阳运转的各个行星。

    后来，著名的法国数学家拉普拉斯（Pierre-Simon，Marguis de Laplace）采纳和发展了这些观点，并且在1796 年出版的《宇宙系统论》（Exposition du système du monde）中将其公之于众。拉普拉斯是大数学家，不过在这本书里，他并未尝试对这些思想进行数学处理，而只对该理论作了半通俗的定性讨论。

    六十年后，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）第一次尝试做这样一种数学处理，此时，康德和拉普拉斯的宇宙起源观点似乎遇到了无法克服的矛盾。计算表明，如果目前聚集在太阳系各颗行星中的物质均匀地分布在目前其所占据的整个空间中，那么这种物质分布将会太过稀薄，引力根本无法将它们聚集成各颗行星。于是，太阳收缩时抛出的环将像土星环一样永远保持环状。大家知道，土星环是由无数沿圆周轨道绕土星运转的微粒所构成的，这些微粒并没有显示出“凝聚”成固体卫星的倾向。

    要想摆脱这种困境，只能假设包围着原始太阳的物质要比现在的行星多得多（至少多100倍），这些物质大都落回了太阳，只剩下大约1%形成各个行星。

    但这种假设也会导致同样严重的矛盾：如果最初与行星运转速度相等的这些物质落到了太阳上，就必然会使太阳获得5000倍于其实际速度的角速度。倘若真是如此，太阳就会每小时转7圈，而不会像现在这样大约每4周转一圈了。

    这些思考似乎已经宣判了康德-拉普拉斯观点的死刑，于是天文学家们又把希望的目光投向了别的地方。美国科学家张伯伦（Thomas Chrowder Chamberlin）和莫尔顿（Forest Ray Moulton）以及著名英国科学家金斯爵士的工作又使布丰的碰撞理论死而复生。当然，此后获得的一些关键知识使布丰的原始观点被大大现代化了。如今，那种认为与太阳相撞的天体是彗星的观点已经被抛弃，因为人们已经知道，彗星的质量即使与月亮相比也是微不足道的。因此，那个入侵的天体现在被认为是大小和质量与太阳相当的另一颗恒星。

    然而，虽然当时似乎只有这种再生的碰撞理论才能避开康德-拉普拉斯假说的根本困难，但它同样难以立足。我们很难理解，为什么因与另一颗恒星猛烈撞击而抛出的太阳碎片会沿着近乎圆形的行星轨道运转，而不是描出一些拉得很长的椭圆轨道呢？

    为了挽救这种局面，又必须假设在受到过路恒星的撞击而形成行星的时候，太阳被一个匀速旋转的气体层所包围，后者帮助把原本拉长的行星轨道变成了正圆形。但由于在行星所占据的这一区域中尚不知晓有这种介质，所以人们又假设这种介质后来逐渐消散到星际空间中，目前从黄道面的太阳延伸出去的微弱的黄道光便是那种往日余晖。然而，这幅图像虽然杂交了康德-拉普拉斯关于太阳原始气体层的假设和布丰的碰撞理论，但也非常不令人满意。不过俗话说“两害相权取其轻”，碰撞理论便被视为关于太阳系起源的正确假说，直到不久前还被用在所有科学论著、教科书和科普书中，包括拙著《太阳的生与死》（1940年出版）和《地球自传》（1941年首版，1959年修订版）。

    直到1943年秋，年轻的德国物理学家魏茨泽克（Carl Friedrich von Welzsäcker）才解决了这个行星理论难题。他利用了最新的天体物理学研究成果，表明以前对康德-拉普拉斯假说的所有反驳都很容易消除，沿着这些思路可以建立起一种关于行星起源的详细理论，太阳系尚未被旧理论触及的许多重要特征都可以得到解释。

    魏茨泽克工作的要点在于，在过去几十年里，天体物理学家们已经彻底改变了对宇宙中化学成分的看法。此前大家普遍认为，太阳和其他所有恒星的化学元素所占的百分比都与地球相同。地球化学分析告诉我们，地球的主要成分是氧（以各种氧化物的形式）、硅、铁和少量的其他重元素，而氢、氦（以及氖、氩等所谓稀有气体）等较轻的气体在地球上只有很少的量。88

    由于没有更好的证据，天文学家们只好假设这些气体在太阳和其他恒星中也非常稀少。然而，对恒星结构所作的更详细的理论研究促使丹麦天体物理学家斯特龙根（Bengt Georg Daniel Strömgren）断言，这种假设完全是错误的，其实太阳至少有35%的物质是纯氢。后来，这一比例又增加到50%以上。人们还发现，纯氦也是占有相当百分比的太阳成分。无论是对太阳内部所做的理论研究（最近以史瓦西［M. Schwartzschild］的重要工作为顶点），还是对太阳表面所作的更精细的光谱分析，都使天体物理学家得出了一个令人惊讶的结论：地球上常见的化学元素只占太阳质量的1%左右，太阳其余的质量几乎为氢和氦所均分，氢的含量稍微多一些。这种分析似乎也适用于其他恒星的成分。

    现在我们还知道，星际空间并非真空，而是被气体与微尘的混和物所充满，其平均密度约为每1 000 000立方英里中有1毫克物质。这种弥漫的极为稀薄的物质似乎与太阳及其他恒星有相同的化学成分。

    尽管密度低得令人难以置信，但这种星际物质的存在却很容易得到证明，因为它可以产生明显的吸收光谱，这些从遥远恒星发出的光要走几十万光年才能进入我们的望远镜。根据这些“星际吸收谱线”的强度和位置，我们可以很好地估算出这种弥漫物质的密度，并且表明它几乎完全由氢可能还有氦所组成。事实上，由各种“地球物质”微粒（直径约为0.001毫米）所组成的微尘还占不到其总质量的1%。

    让我们回到魏茨泽克的基本想法，可以说，这种关于宇宙物质化学成分的新知识直接有利于康德-拉普拉斯假说。事实上，如果包围太阳的原始气体层最初是由这种物质形成的，那么其中的一小部分，即较重的那些地球元素，可能构成了我们的地球和其他行星，其余那些不凝的氢气和氦气则必定被移除，要么落入了太阳，要么消散到周围的星际空间中。前已说过，由于第一种可能性会导致太阳的绕轴自转过快，所以我们不得不接受第二种可能性，即在“地球元素”形成各个行星之后不久，气态的“多余物质”就消散到太空中去了。

    这使我们得到了关于太阳系形成的以下图景：星际物质最初凝聚成太阳时（见下一节），其中大部分物质（约为目前行星总质量的一百倍）仍然留在太阳之外，形成一个巨大的旋转包层。（之所以有这种旋转，显然是因为凝聚成原始太阳的星际气体，其各个部分的旋转状态有所不同。）这个迅速旋转的包层由不凝气体（氢气、氦气和少量其他气体）和各种地球物质（如铁的氧化物、硅的化合物、小水滴和冰晶等）的尘粒所组成，后者漂浮在气体中，并与之一起旋转。被我们现在称为行星的大块“地球物质”一定源于尘粒的相互碰撞和逐渐聚集。图118描绘了速度必定堪比陨石的这些相互碰撞所造成的后果。

    基于逻辑推理可以断言，若以这种速度相撞，两块质量相近的小物体会双双化为齑粉（图118a），此过程不会使较大块的物体增长，而会使其解体。另一方面，如果一块小物体与一块很大的物体相撞（图118b），小块似乎显然会埋入大块，形成一块更大的新物体。

    这两种过程显然会使小块物体逐渐消失，聚集成大块物体。后来这个过程会加速进行，因为大块物体能够吸引周围的小块物体并入自己。图118c描绘了这种情况下大块物体俘获效应的增强。

    图118

    魏茨泽克表明，原先散布在太阳系如今占据的整个区域中的微尘必定在几亿年的时间里聚集成了几个大块，这就是行星。

    当行星在绕太阳运转的过程中通过积累大大小小的宇宙物质而生长时，其表面会持续遭到这些新物质的轰炸，因此行星一直会很热。然而，一旦这些星际微尘、石砾和更大的岩石耗尽，从而终止了行星的生长过程，这些新形成的天体也会因为向星际空间辐射热量而外层迅速冷却，从而形成坚固的外壳。随着行星内部缓慢地冷却下来，这层外壳也变得越来越厚。

    任何行星起源理论都要处理的另一个要点是解释支配行星与太阳之间距离的一条特殊规则，即所谓的提丢斯-波得（Titus-Bode）规则。下表列出了太阳系的九大行星和小行星与太阳的距离，小行星似乎对应着各个小块没能聚集成一个大块的特殊情形。

    最后一栏数字特别让人感兴趣。这些数字虽然有些出入，但都和2这个数值相差不远。因此我们可以提出一条近似规则：每颗行星的轨道半径大致是前一行星轨道半径的两倍。

    行星名称

    与太阳的距离（以日地距离为单位）

    各行星与太阳的距离同前一行星与太阳距离的比值

    水星

    0.387

    金星

    0.723

    0.860

    地球

    1.000

    1.380

    火星

    1.524

    1.520

    小行星

    2.7左右

    1.770

    木星

    5.203

    1.920

    土星

    9.539

    1.830

    天王星

    19.191

    2.001

    海王星

    30.07

    1.560

    冥王星

    39.52

    1.310

    有趣的是，一条类似的规则也适用于各个行星的卫星。例如，下表列出的土星九颗卫星的相对距离便证明了这一事实。

    卫星名称

    与土星的距离（以土星半径为单位）

    相邻两颗卫星距离之比

    土卫一

    003.11

    土卫二

    003.99

    1.28

    土卫三

    004.94

    1.24

    土卫四

    006.33

    1.28

    土卫五

    008.84

    1.39

    土卫六

    020.48

    2.31

    土卫七

    024.82

    1.21

    土卫八

    059.68

    2.40

    土卫九

    216.80

    3.63

    和行星的情况一样，这里也有很大的出入（特别是土卫九），但几乎毫无疑问的是，这里也存在着同一种规则性的明确趋势。

    太阳周围原有的那些尘埃云为何没有聚集成单一的大行星呢？为何恰恰又在这些距离处形成了几大块行星呢？

    要想解答这个问题，我们须对原始尘埃云中发生的运动作某种更细致的研究。我们还记得，任何按照牛顿的引力定律围绕太阳运转的物体，无论是微小的尘粒、小陨石还是行星，都会描出一个以太阳为焦点的椭圆轨道。如果形成行星的物质以前是直径为0.000 1厘米的一个个微粒，89那么当时必定有大约1045个微粒沿着各种大小和伸长的椭圆轨道运动。显然，在这么拥挤的情况下，微粒之间必定发生过无数次碰撞。由于这些碰撞，整个系统的运动会变得更有组织。不难理解，这些碰撞要么导致“交通违章者”粉身碎骨，要么迫使它们绕道到不那么拥挤的路线上去。那么，这种“有组织的”（或至少部分有组织的）“交通”是由什么定律支配的呢？

    为了处理这个问题，我们先选择一组微粒，它们绕太阳旋转的周期相同。其中一些微粒沿着某一半径的圆周轨道运转，另一些则沿着拉长程度不等的椭圆轨道运转（图119a）。现在，我们试着从一个围绕太阳中心旋转并且与微粒周期相同的坐标系（X，Y）的角度来描述这些微粒的运动。

    a. 从静止坐标系上观察到的圆周运动和椭圆运动；b. 从旋转坐标系上观察到的圆周运动和椭圆运动

    图119

    从这个旋转的坐标系来看，沿圆周轨道运动的微粒A显然将永远静止于某点A′，而正在沿椭圆轨道绕太阳运转的微粒B则有时接近太阳，有时远离太阳；它围绕中心的角速度接近太阳时大，远离太阳时小；于是，它有时会超前于、有时会落后于匀速旋转的坐标系（X，Y）。不难看出，从这个坐标系来看，此微粒将会描出一条蚕豆形的封闭轨迹，在图119中标为B′。另一个微粒C沿着拉得更长的轨道运转，从坐标系（X，Y）来看，它也会描出一条类似但稍大的蚕豆形封闭轨迹C′。

    显然，要想安排这群微粒的运动使之不致相撞，必须使这些微粒在匀速旋转的坐标系（X，Y）中描出的蚕豆形轨迹不会相交。

    我们还记得，运转周期相同的微粒与太阳的平均距离是相同的，因此它们在坐标系（X，Y）中不相交的轨迹图案一定像一串围绕太阳的“蚕豆项链”。

    以上分析对于读者来说可能有些难懂，但它所表述的其实是一种非常简单的程序，其目的在于表明与太阳有相同平均距离因而有相同旋转周期的各组微粒不致相交的交通规则图样。由于原始太阳周围的那些尘埃云微粒会有各种各样的平均距离，从而有各种各样的旋转周期，所以实际情况一定会复杂得多。“蚕豆项链”不会只有一串，而是必定有很多串在以各种速度相对于彼此旋转。魏茨泽克认真分析了这种情况，他表明，要使这样一个系统保持稳定，每条“项链”都必须包含五个涡旋系统，于是整个运动情况看起来就像图120那样。这种安排可以保证每一个环内“交通安全”，但由于这些环的旋转周期各不相同，所以在两环相遇的地方一定有“交通事故”发生。在一个环的微粒与相邻环的微粒之间的这些边界区域发生的大量碰撞必然会引发积聚过程，在这些特定距离上生长出越来越大的物体。于是，随着每个环内的物质变得逐渐稀薄，它们之间的边界区域会逐渐积聚物质，最后形成行星。

    图120　太阳原始外层中的尘埃通道

    对太阳系形成过程的上述描绘简单地解释了支配行星轨道半径的旧规则。事实上，简单的几何思考表明，在图120所示的那种图样中，相邻环的相继界线的半径形成了一个简单的几何级数，每一项都是前一项的二倍。我们还能看到为什么指望这条规则会非常精确。事实上，这条规则并非源于支配原始尘埃云中微粒运动的某条严格定律，而只是表达了否则便不规则的尘埃运动过程的某种倾向。

    同样的规则也适用于太阳系中各个行星的卫星，这一事实暗示，卫星的形成过程大致也遵循着同样的途径。当原始太阳周围的尘埃云分解成了将会形成行星的各组微粒时，此过程在各组微粒中均得到重复：大多数微粒聚集在中心形成行星，其余微粒则在周围运转，逐渐凝聚成若干卫星。

    在讨论尘埃微粒的相互碰撞和生长时，我们忘了讲占原始太阳包层总质量大约99%的气体成分的去向。这个问题比较容易回答。

    当尘埃微粒碰来碰去，形成越来越大的物体时，无法参与这一过程的气体会逐渐消散到星际空间中。用比较简单的计算就能表明，这种消散过程需要大约1亿年的时间，也就是说与行星生长的时间差不多。因此，当各个行星最终形成时，构成原始太阳包层的大部分氢和氦均已逃离太阳系，只留下了微乎其微的一部分，即前面所说的黄道光。

    魏茨泽克理论的一个重要推论是，行星系的形成并非独特事件，几乎所有恒星在形成过程中都会发生这种现象。而碰撞理论则认为，行星的形成过程在宇宙历史中非常独特。计算表明，被认为产生了行星系的恒星碰撞是极为稀罕的事件，在构成银河系的400亿颗恒星当中，在其存在的几十亿年时间里，只可能发生过少数几次碰撞。

    如果每颗恒星都有一个行星系统，那么单单在我们的银河系之内就会有数百万颗行星，它们的物理条件几乎与地球上相同。倘若在这些“可居住”的世界中竟然没有孕育出最高形态的生命，那才奇怪呢。

    事实上，我们在第九章已经看到，最简单的生命形态，比如各种病毒，仅仅是由碳、氢、氧、氮等原子构成的非常复杂的分子罢了。任何新生的行星，其表面都会有足量的这些元素，因此可以确信，坚固的地壳得以形成并且大气中的水蒸气降下成为广泛的水源之后，由于必要的原子以必要的秩序偶然结合起来，迟早会出现一些这类分子。诚然，由于这些活分子极为复杂，导致偶然形成它们的概率极低，这就像摇动一盒拼图玩具就想让它们偶然排成某个图案的概率一样低，但我们不要忘了，相互碰撞的原子有那么多，时间又那么长，总有可能出现想要的结果。地壳形成之后，生命很快就在地球上出现了，这表明在几亿年的时间里的确有可能偶然形成复杂的有机分子，尽管这看起来好像不大可能。一旦最简单的生命形态出现在新形成的行星表面，其繁殖过程和逐渐演化将会形成越来越复杂的生命形态。90我们还不知道，在各个“可居住”的行星上，生命的演化过程是否和我们的地球上一样。对不同世界的生命进行研究，将有助于我们实质性地了解演化过程。

    在不久的将来，我们会乘坐“核动力推进的太空飞船”作探险旅行，到火星和金星（太阳系中最“可居住”的行星）上去研究那里可能有的生命形态，然而在千百光年以外的其他星界上是否存在着生命以及生命以何种形态存在，则可能是一个永远无解的科学问题。

    二、恒星的“私生活”

    关于恒星如何产生自己的行星家族，我们已经有了一幅较为完整的图像，现在我们要讨论一下恒星本身了。

    恒星有怎样的生命历程？其诞生的细节如何？漫长的生命是如何度过的？最终又有什么样的结局？

    要研究这类问题，我们不妨先从太阳入手，因为它是组成银河系的数十亿颗恒星中相当典型的一颗。首先，我们知道，太阳是一颗非常古老的恒星，因为根据古生物学的资料，它已经强度不变地照耀了几十亿年，维持着地球上生命的发展。任何普通来源都不可能在这么长的时间里提供如此之多的能量，所以太阳的辐射问题始终是最令人迷惑的科学谜团之一。直到发现了元素的放射性衰变和人工嬗变，隐藏在原子核深处的巨大能量源才被揭示出来。我们已经在第七章看到，几乎任何化学元素都可以看成一种蕴含着巨大潜在能量的燃料，将这些物质的温度升高到几百万度，这种能量就会被释放出来。

    这样的高温在地球实验室里几乎无法获得，而在星际世界却司空见惯。以太阳为例，它的表面温度只有6 000℃，但越往里温度就越高，到了中心则高达2 000万度。根据观测到的太阳表面温度和太阳气体已知的热传导性质，不难计算出这个数值。正如知道了一颗土豆的表皮有多热以及土豆物质的热导率，无需切开就可以计算出它内部的温度。

    将这种关于太阳中心温度的信息与关于各种核嬗变的反应速率的已知事实结合起来，就能查明太阳内部产生的能量是由什么反应引起的。这种重要的核过程叫作“碳循环”，是两位对天体物理学问题感兴趣的核物理学家贝特（Hans Albrecht Bethe）和魏茨泽克同时发现的。

    使太阳产生能量的热核过程并不只是单一的核嬗变，而是被称为“链式反应”的一系列相互关联的嬗变。链式反应最有趣的特征之一在于，它是一条闭合的循环链，每经过六步就重新回到起点。图121是这种太阳链式反应的示意图，从中可以看出，这种链式反应的主要参与者是碳核和氮核以及与之碰撞的热质子。

    图121　使太阳产生能量的循环链式核反应

    让我们从普通的碳（C12）开始，我们看到，它与一个质子碰撞，形成了氮的轻同位素（N13），并以γ射线的形式释放出一些原子内部的能量。这一反应是核物理学家们所熟知的，在实验室条件下已经用人工加速的高能质子实现出来。N13的原子核并不稳定，它会自动释放出一个正电子或β+粒子，变成碳的重同位素（C13）的稳定原子核，普通的煤中就含有少量的C13。如果再被一个热质子撞击，这种碳同位素就会变成普通的氮N14，并且释放出强烈的γ辐射。（我们从N14开始也可以同样方便地描述这个循环。）N14核再与另一个（第三个）热质子撞击，变成不稳定的氧同位素（O15），它很快就会释放出一个正电子而变成稳定的N15。最后，N15再获得第四个质子，裂成两个不等的部分，其中一个就是开头那个C12核，另一个是氦核也就是α粒子。

    于是我们看到，在这个循环的链式反应中，碳核和氮核是不断重新产生出来的，用化学家的话来说，它们只充当催化剂。此链式反应的净效应是，相继进入循环的四个质子形成了一个氦核。于是我们可将整个过程表述为：在高温之下，氢在碳和氮的催化作用下嬗变成氦。

    贝特表明，在2 000万度的高温下进行的这种链式反应所释放的能量与太阳实际辐射的能量完全相符。其他任何可能的反应都会导出与天体物理学证据不一致的结果，因此可以确定，太阳能主要是通过碳-氮循环过程产生的。还要指出的是，在太阳内部的温度条件下，完成图121所示的循环需要500万年左右的时间，因此当这样一个周期结束时，起初进入反应的碳（或氮）核又会以当初的面貌重新出现。

    曾有人说，太阳的热量来自煤。知道了碳在这个过程中所起的基本作用以后，现在我们仍然可以说这句话，只不过这里的“煤”并非实际的燃料，而是扮演了传说中“不死鸟”的角色。

    特别值得注意的是，太阳的释能反应速率虽然主要取决于中心区的温度和密度，但在一定程度上也取决于太阳中氢、碳、氮的量。由此立即可以找到一种分析太阳气体成分的方法，即调整所涉反应物的浓度，使之精确符合太阳的视亮度。最近史瓦西基于这种方法作了计算，发现太阳有一大半物质是纯氢，纯氦略少于一半，其他元素只占很少一部分。

    对太阳能量产生过程的解释很容易推广到其他大部分恒星，结论是：不同质量的恒星有不同的中心温度，因而有不同的能量产生率。例如，波江座O2-C的质量约为太阳的1/5，因此其亮度只有太阳的1%左右；而通常被称为天狼星的大犬座α大约比太阳重2.5倍，其他亮度比太阳强40倍；还有天鹅座Y380这样的巨星，它大约比太阳重40倍，亮度是太阳的几十万倍。在所有这些情况下，恒星的质量越大、亮度就越强的关系均可通过中心温度的升高会增大“碳循环”的反应速率而得到令人满意的解释。根据恒星的这种所谓“主星序”，我们还发现，恒星的质量越大，半径也就越大（从波江座O2-C的0.43个太阳半径到天鹅座Y380的29个太阳半径），平均密度则越小（从波江座O2-C的2.5，到太阳的1.4，再到天鹅座Y380的0.002）。图122列出了属于主星序的恒星的一些数据。

    图122　属于主星序的恒星

    除了半径、密度和亮度取决于质量的“正常”恒星，天文学家还发现天空中有一些完全不符合这种简单规则的星体。

    首先是所谓的“红巨星”和“超巨星”，它们与相同亮度的“正常”恒星虽然有相同的质量，尺寸却要大很多。图123绘出了几颗这样的异常恒星，包括著名的御夫座α、飞马座β、金牛座α、猎户座α、武仙座α和御夫座ε。

    图123　巨星和超巨星与太阳系尺寸的比较

    这些恒星之所以大得几乎让人难以置信，似乎是受到了我们尚不能解释的内部力的作用，这也使其平均密度远小于任何正常恒星。

    与这些“肿胀”恒星相反，还有一些尺寸缩得很小的恒星，即所谓的“白矮星”91。图124画出了一颗，并与地球进行比较。这颗“天狼星的伴星”的质量几乎等于太阳，其直径却只比地球大三倍；因此，其平均密度一定比水大50万倍左右！几乎可以肯定，白矮星代表着恒星演化的末期阶段，此时恒星已经耗尽了所有可用的氢燃料。

    图124　白矮星与地球的比较

    如上所述，恒星的生命源自于从氢到氦的缓慢嬗变反应。年轻的恒星刚刚由弥漫的星际物质凝聚而成，此时恒星中的氢含量超过了其总质量的50%，因此我们可以预期它还有极长的寿命。例如，由太阳的视亮度可以计算出，它每秒钟要消耗大约6.6亿吨的氢。太阳的总质量是2×1027吨，其中一半是氢，因此太阳的寿命是15×1018秒即500亿年左右！要知道，太阳现在只有三四十亿岁，92因此必须认为它还很年轻，还能以目前的亮度照耀几百亿年。

    然而，更大质量因此也更亮的恒星消耗最初的氢的速度要快得多。例如，天狼星的重量是太阳的2.3倍，因此起初包含的氢燃料也是太阳的2.3倍，但它的亮度却是太阳的39倍。在给定时间内，天狼星消耗的燃料是太阳的39倍，而其原有的氢储量只有太阳的2.3倍，因此只需30亿年，天狼星就会把燃料用光。而更亮的恒星，比如天鹅座Y380（质量是太阳的17倍，亮度是太阳的30 000倍），其原有的氢储量最多只能维持1亿年。

    氢最终耗尽之后，恒星会变得怎样呢？

    当维持恒星漫长寿命的核能源耗尽之后，星体必然开始收缩，因而在后续阶段，密度会越来越大。

    天文观测显示有大量这样的“萎缩恒星”存在着，它们的平均密度比水大数十万倍。这些恒星至今仍然炽热，由于表面温度很高，它们会发出耀眼的白光，从而与主星序中发黄光或红光的普通恒星形成鲜明对照。但这些恒星的体积很小，它们的总亮度相当低，要比太阳的亮度低几千倍，因此天文学家把这些处于演化末期阶段的恒星称为“白矮星”，其中的“矮”字既有几何尺寸的含义，又有亮度的含义。随着时间的流逝，白热的白矮星体将逐渐失去光辉，最终变成普通天文观测无法发现的一大团冷物质————“黑矮星”。

    但要注意，用尽了所有氢燃料之后，这些年迈的恒星发生的收缩和逐步冷却过程并不总是安静有序的。这些“行将就木”的垂死恒星往往会发生激变，仿佛在反抗命运。

    这些被称为新星爆发和超新星爆发的灾难性事件是恒星研究中最令人激动的话题之一。短短几天时间，一颗看起来与其他恒星并无多大不同的恒星，其亮度就增加了几十万倍，表面温度也迅速变得极热。研究与亮度的这种显著增强相伴随的光谱变化，可以看出星体在迅速膨胀，其外层正以每秒钟2 000公里左右的速度向外扩展。但这种亮度增强只是短暂的，达到极大值之后，星体便开始慢慢平静下来。恒星爆发后，通常需要一年左右的时间才能恢复其原有亮度，尽管在这之后很长时间，它的辐射还会有一些小的变化。亮度是恢复正常了，其他性质却并非如此。爆发期间随恒星一起迅速膨胀的一部分大气会继续往外运动，因此该星被会一层直径越来越大的发光气体所包围。关于这类恒星本身是否在持续变化，我们还缺乏确凿的证据，因为只有一颗新星（御夫座新星，1918年）的光谱在爆发前被拍摄下来，而且就连这张照片看起来也很不清楚，我们对其表面温度和原始半径都很不确定。

    观测所谓的超新星爆发能为这种星体爆发的后果提供更好的证据。在银河系，这些巨大的爆发几个世纪才发生一次（普通的新星爆发则是每年40次左右），爆发时的亮度比普通新星强数千倍。亮度达到极大时，这样一颗爆发的超新星发出的光堪比整个银河系发出的光。1572年第谷（Tycho Brahe）观测到的晴朗白天亦可看见的星，1054年中国天文学家记载的星，也许还有伯利恒星，都是我们银河系中超新星的典型例子。

    第一颗河外超新星是1885年在临近的仙女座星云中观测到的，其亮度比该星系看到的所有其他新星亮度的总和还要强上千倍。尽管这些大爆发较少发生，但由于巴德（Walter Baade）和兹维基（Fritz Zwicky）的观测工作，近年来我们对这些星体性质的研究已经取得了重大进展。他们最先认识到了这两种爆发的巨大差异，并开始对出现在各个遥远星系中的超新星进行系统研究。

    虽然亮度有极大差异，但超新星爆发与普通新星爆发有许多相似之处。两者的亮度都会先迅速增强再缓慢减弱，其亮度曲线的形状几乎相同（比例尺除外）。和普通新星一样，超新星的爆发也会产生一个迅速膨胀的气体层，但它所占的恒星质量要大得多。事实上，新星爆发所产生的气体层会变得越来越稀薄，并迅速消散到周围的空间中，而超新星释放的气体物质却在爆发的位置周围形成了广大而明亮的云。例如，在1054年的超新星爆发位置上看到的“蟹状星云”肯定是由那次爆发时喷出的气体形成的（见插图8）。

    我们还找... -->>

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