第12章 恒星为什么一直发光
亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)出生在英国北部一个贵格会[1] 教徒的家庭。他在曼彻斯特完成学业后,获得了奖学金去剑桥大学深造。
等到20世纪20年代,他已成为世界上首屈一指的天体物理学家。爱丁顿建立的恒星结构和演化模型,至今仍是恒星研究领域的基石,其核心内容是指出恒星内部能够产生巨大的热能,帮助恒星抵抗住自身的引力,不至于发生坍缩。至于这些能量到底从何而来,就完全是一个谜了。图12-1是距离我们最近的一颗恒星——太阳。
恒星的燃料
爱丁顿是广义相对论的忠实拥趸(见图12-2)。爱因斯坦曾用一个著名的公式E=mc2 。一语道破质量与能量的关系,展现了他非凡的深邃洞察力。在这个质能方程中,E代表能量,m代表质量,c是光速。
爱丁顿领悟到的式中隐含的意思为:质量可以转化成能量!这是一个前所未见的能量来源,也许还可以解释恒星为什么能够一直发光。
1920年,他颇有先见之明地写道:“如果恒星真的能把原子内的能量当作燃料,我们利用这个潜在的能源为人类造福(或者自我毁灭)的梦想,似乎就有可能实现了。”
那么恒星又是怎么获取这份能量的呢?爱丁顿想出了一个好办法。
经过准确的测量,人们发现氢原子(最轻的元素)的质量略小于氦原子(第二轻的元素)的质量。爱丁顿由此推论,如果我们有办法把氢转变成氦,那这个质量差异就能以能量的形式释放出来。考虑到核物理研究当时正处于发展初期,科学家发现原子核也不过10年时间,在3年前也才刚刚发现质子,然而爱丁顿却能在此时提出,把氢原子核转变成氦原子核可能是恒星的能量来源,这真是非常了不起了。
不过,这个想法存在一个严重的问题。几十年来,人们一直使用本生和基尔霍夫的光谱比对法来确定恒星的化学成分。天文学家假定,太阳光谱中有哪种元素的特征谱线,哪种元素就是太阳的主要化学成分之一。由此方法分析得到的结果,似乎表明太阳的化学成分与地球相似。
确实,著名天文学家亨利·诺利斯·罗素(Henry Norris Russell)曾经说过,如果地球的地壳像太阳那般炽热,它的光谱就会和太阳的光谱一模一样。地壳的化学成分有氧(占46%)、硅(28%)、铝(8%)、铁(6%)、钙(4%)及少量其他元素,其中,氢的含量低于0.15%。如果太阳的化学成分真的与地球相似,那它也只含有极少量的氢,爱丁顿的想法就不那么可信了。不过,这个问题后来被一位女天文学家解决了。她在爱丁顿的鼓励下投身于天文学研究,却因为遭遇性别歧视而在职场中屡屡受挫。
她的出色才能毋庸置疑
1919年,爱丁顿组织了一个科学远征队,前往西非的普林西比岛(Principe)观测日食(见图12-3)。这次观测是为了检验广义相对论的一个预言——引力能使光线偏折。在这次观测中,爱丁顿找到了强有力的证据,证明广义相对论是正确的,而且他还不遗余力地向人称赞,广义相对论是自牛顿的万有引力定律之后,人类所取得的最伟大的科学突破。在爱丁顿的大力宣传下,爱因斯坦声名远播,成为一代科学巨星,享尽殊荣。同一年,塞西莉亚·佩恩(Cecilia Payne)拿到奖学金,去剑桥大学学习植物学、物理学和化学,正好赶上爱丁顿的科学远征队不负众望、得胜而归。爱丁顿做了一场报告,向大家讲述这次科学远征的种种经历和取得的成果,佩恩在台下听得如痴如醉。在谈起那场报告时,她说:“它彻底改变了我的世界观,我被强烈地震撼到了,好像快要精神崩溃了。”
报告结束后,佩恩忐忑不安地去找爱丁顿,告诉他说自己想当一名天文学家。爱丁顿不仅鼓励她追求自己的梦想,还欢迎她去剑桥天文台的图书馆查阅最新的天文学期刊。佩恩虽然修完了大学的全部课程,却没能拿到学位,因为剑桥大学当时不授予女性学位[2] 。佩恩意识到,自己若待在英国,便要放弃心爱的天文研究,于是她动身去了美国,并获得了一份奖学金,就这样,她成了哈佛大学的一名天文学研究生。
佩恩的研究对象是太阳光谱里的谱线,她需要想办法通过光谱确定太阳的化学成分。在此之前,人们通常认为“最明显的谱线是由最常见的元素产生的”,但佩恩却认识到这个假设存在问题。她找到了用谱线强度计算元素含量的正确方法,发现太阳的碳、硅、铁及其他重元素的相对含量虽然与地球相似,但太阳却含有非常丰富的氢和氦。所有的证据无一不表明,恒星实际上是一个由氢和氦构成的巨大的气体球,其他元素的含量微乎其微。1925年,佩恩提交了自己的博士论文,详细阐述了这项研究的内容。天文学界对这篇论文给予了极高的评价,说它毫无疑问是迄今为止最出色的天文学博士论文。
一开始,也有天文学家对佩恩的研究提出了质疑,罗素甚至劝佩恩在论文里加上一句“测量结果可能有误”以示提醒。然而,还不到4年时间,罗素就相信佩恩是对的,天文学界也紧随其后接受了佩恩的研究结果。现代测量显示,太阳中各种元素的质量百分比分别是氢占71%、氦占27%、其他元素占2%(氧占1%、碳占0.4%、其余元素占0.6%)。佩恩正确地确定了恒星的化学成分,为我们理解恒星内部的能量产生机制打下了基础。
塞西莉亚·佩恩(见图12-4)一生追求学术,为天文学的发展做出了许多重要贡献,但却始终没能得到应有的认可。她为此苦苦奋斗,直到1956年才拿到哈佛大学的正教授职衔。
恒星一直发光的秘密
我们现在知道,爱丁顿的推论是正确的。太阳通过不断地把氢转变成氦,获得了巨大的能量。20世纪30年代末,汉斯·贝特与查尔斯·克里奇菲尔德(Charles Critchfield)弄懂了恒星内部的氢聚变反应的详细过程。恒星在其一生中至少前90%的时间里,都在利用这个核反应获取能量,科学家把这段时间称为恒星的主序阶段。
恒星消耗燃料的速度是快还是慢,全由它的质量说了算。恒星的质量越大,它的星核就越炽热,核反应进行的速度也就越快。以太阳为例,它大概要一直燃烧上100亿年,才能用完其星核里的氢燃料。
质量不及太阳质量一半的恒星叫作红矮星,星系里的恒星绝大多数是这种闪烁着荧荧微光的红矮星。如果恒星的质量只有太阳质量的1/10,那它就可以一直发光10万亿年,这个时间比宇宙目前的年龄还要大1000倍。
如果恒星的质量达到20倍太阳质量,那么不超过0.1亿年,恒星的核燃料就会消耗殆尽。与太阳相比,这些大质量恒星仅用了千分之一的时间,就用掉了比太阳多20倍的燃料,所以它的能量释放速度是太阳的2万倍,也就是说,它要比太阳明亮2万倍。
宇宙的命运
等到恒星步入生命的晚期,其内部的核反应又会发生怎样的变化呢?霍伊尔与同事经过研究发现,当星核里的氢全部转变成氦,星核就会在引力的作用下收缩,如果恒星的质量足够大,星核的温度就会一直上升,直到点燃氦聚变反应。从这时起,星核里的氦通过核聚变反应转变成碳和氧,与此同时,恒星的外壳开始膨胀,此时的恒星成了一颗胖胖的红巨星,比如位于猎户座肩部的参宿四就是一颗红巨星。
50亿年后,太阳将走向生命的终点,它的外层大气向外膨胀,吞噬地球。像太阳这样的恒星,它们的外层大气最终会消散在太空中,只留下一个燃烧完的星核。此时,星核里的核反应早已停止,星核慢慢地散发出余热,逐渐冷却下来。这些残留的恒星遗骸虽然个头和地球差不多大,但却极其致密,它们就是白矮星。白矮星的温度极高,但因为个头很小,所以看上去十分暗淡。
参宿四的个头比太阳大1000倍,若它处在太阳的位置,它的大气会一直延伸到木星轨道那么远。正因为它的个头实在太大,天文学甚至连它的表面都能看得一清二楚。参宿四非常不稳定,不仅忽亮忽暗,还向外喷出大量气体(见图12-5)。
恒星的“炼金术”
像参宿四这样的大质量恒星,除了燃烧氢和氦,还能点燃更进一步的核反应,生成氖、硫、硅、铁之类的重元素,不过,在生成铁以后,恒星的内部便不会再发生新的核反应了,命中注定的最终坍缩由此开始。恒星在坍缩过程中释放出巨大的能量,自己也被炸得支离破碎,这就是我们所说的超新星爆发。这样的恒星爆炸非常明亮,能与坐拥1000亿颗恒星的星系争辉。这场如炼狱般的爆炸甚至还能产生更重的化学元素,并把这些元素驱散到星际空间,形成气体云,然后,这些气体云经过聚合,产生下一代恒星。构成我们身体及周围一切物质的原子,每一个都是在恒星的“炼金炉”里这样炼造出来的。
- 贵格会是基督教新教的一个派别,兴起于17世纪中期的英国及其美洲殖民地。——译者注
- 这项规定直到1948年才被废除。
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