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太阳也有“生老病死” | 星星背后的物理(二)

太阳也有"生老病死" | 星星背后的物理(二)

作者:张天蓉 来源:知识分子  微信公众号

 

 

撰文 | 张天蓉(美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士)

 

古人望着满天繁星说:"天上一颗星,地上一个人"。他们将星星看作是地球上人的化身,用心目中的英雄人物为最亮的星座命名。如今的孩子们,早就知道了星星并不是人,他们要问的问题可能是:"星星是不是也有生有死呢?"

 

的确,星星和人一样,也有生老病死。不过,星星的寿命要比人类个体的寿命长得多,经常都需要以"亿年"为单位来计算!人生易老天难老啊。天体物理学家们最感兴趣的是像太阳这样的恒星。从天文观测的角度看,恒星会主动发光,而行星只是被动地反射或折射恒星发出的光线而已。恒星的质量较大,强大的万有引力使它们"心中燃着一把火",也使得它们的生命过程轰轰烈烈、多姿多彩、急遽变化。科学家们将各类恒星的诞生、老化直至死亡的整个过程,称之为"恒星的演化周期"。根据恒星质量大小的不同,它们的演化周期(寿命)也大不相同。一般而言,恒星质量越小寿命越长,从几百万年到数兆年不等。

 

1
太阳能量的来源

 

首先让我们的飞船停留在太阳系,考察一下我们这个大家庭的主人,离我们最近的恒星——太阳。太阳诞生于何时?经历了怎么样的生命周期?它还能照耀多久呢?太阳的"生死"决定了大家庭成员们的生死,也与我们地球上人类的生存息息相关,千万不可小觑。

 

目前的太阳,形状几乎是一个理想球体,中间是核心,然后是辐射带,最外层是对流带(见图2-1b左上太阳内部截图)。恒星发光的原因是因为它们内部的热核反应,太阳也是如此。公众熟知的核反应例子是世界上各个大国掌握的核武器:原子弹和氢弹。前者的物理过程叫做"核裂变",后者则叫做"核聚变"。裂变指的是一个大质量的原子核(例如铀)分裂成两个较小的原子核,聚变则是由较轻的原子核(例如氢)合成为一个较重的原子核,比方说氢弹,便是使得氢(原子)核在一定条件下合成中子和氦(原子)核。无论是裂变还是聚变,反应前后的原子核总质量都发生了变化。爱因斯坦的狭义相对论认为质量和能量可以互相转换。在两类核反应中都有一部分静止质量在反应后转化成了巨大的能量被释放出来,这就是为什么核武器具有巨大杀伤能力的原因。太阳内部所发生的,是与氢弹原理相同的核聚变,如图2-1所示。

 

 

图2-1:太阳内部的部分核反应

 

核聚变要求的条件非常苛刻,需要超高温和超高压。地球上的人类人为地制造这种条件不是那么容易,虽然人类已经有了氢弹,但那是一种破坏性的、对付敌人的武器,要想办法控制这种能量并加以和平利用,仍然是困难重重。可是,在太阳的核心区域中却天然地提供了这一切难得的条件。那儿的物质密度很高,大约是水密度的150倍,温度接近1500万摄氏度。因此,在太阳核心处进行着大量的核聚变反应。

 

太阳内部的热核反应,产生携带着大量能量的伽马射线,也就是一种频率比可见光更高的光子,同时也产生另外一种叫做中微子的基本粒子【注1】。因而,在我们的宇宙太空中,不仅飞舞着各种频率的光子(电磁波),也飞舞着大量的中微子!中微子字面上的意思是"中性不带电的微小粒子",是上世纪30年代才发现的一种基本粒子。中微子有许多有趣的特性,有待人们去认识和研究。比如说,科学家们原来以为中微子和光子一样没有静止质量,但现在我们知道了中微子的质量并不是零。

 

太阳核心球的半径大约只有整个半径的五分之一到四分之一。核心之外的辐射层中充满了电子、质子、中子等基本粒子。光子和中微子在太阳内部的核反应中被同时产生出来,但它们的旅途经历却完全不一样。光子是个"外交家",与诸多基本粒子都能"交往",它们一出太阳核心,旅行不到一厘米便会被核心外的其它粒子吸收,或者是被转化成能量更低的光子向四面八方散射。

 

如图2-1b所示,光子的轨迹弯弯曲曲。说起来你会难以相信,一个光子经过反反复复、曲折迂回的路线之后,平均来说,要经过上万年到十几万年的时间,才能从太阳核心到达太阳的表面,继而再飞向宇宙空间,照耀太阳系大家庭,促成地球上的"万物生长"。当光子来到太阳表面时,已经不再是能量虽高却看不见的伽马射线,而是变成了我们看得见的"可见光",单个光子的能量大幅减弱,太阳表面的温度也已大大降低到大约只有6000度左右。

 

中微子的行程大不相同,是直接往外冲,它不怎么和其它的物质相互作用,因而,它在通过核聚变反应产生出来之后,两秒钟左右便旅行到了太阳表面,从太阳表面逃逸到太空中去了。所以,非常有趣,假设我们在地球上同时接收到从太阳辐射来的光子和中微子时,它们的年龄可是相差太大了:中微子是个太阳核心几分钟之前的"新生儿",产生后直达地球,同时来到地球的光子却已经是多少万年之前的"老头"产物了。

 

无论如何,太阳系大家庭的有用能量之来源是太阳核心的核反应。聚变反应的每一秒钟,都有超过400万吨的物质(静止质量)转化成能量。如此一来,科学家们不由得担心起来:太阳以如此巨大的速度"燃烧",还能够烧多久呢?简单的计算可以给我们一个近似的答案。太阳的质量大约是2x10^23万吨,每秒钟烧掉400万吨,每年大约要烧掉10^10万吨。因此,如果太阳按照这个速度进行核反应,大约还能燃烧10^13年,即100亿年。这个结论多少让我们放下心来:太阳离它的"死期"还远着呢!

 

2
太阳的一生

 

恒星的生命周期和演变过程取决于它最初的质量。大多数恒星的寿命在10亿岁到100亿岁之间。粗略一想,你可能会认为质量越大的恒星就可以燃烧更久,便意味着寿命更长。但事实却是相反:质量越大寿命反而越短,质量小的细水长流,命反而长。比如说,一个质量等于太阳60倍的恒星,寿命只有3百万年,而质量是太阳一半的恒星,预期的寿命可达几百亿年,比现在宇宙的寿命还长。

 

就我们的太阳而言,其生命周期中的"大事记"可参考图2-2。

 

图2-2:太阳的生命周期

 

图中可见,太阳是在大约45.7亿年前诞生的,目前"正值中年"。太阳在45亿年之前,是一团因引力而坍缩的氢分子云。科学家们使用"放射性定年法"得到太阳中最古老的物质是45.67亿岁,这点与估算的太阳年龄相符合。

 

恒星的年龄与恒星的质量有关,其原因是因为"引力"在恒星演化中起着重要的作用。描写引力作用的理论有牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论。这两个理论被应用在引力较弱的范围时,结果一致,但对于强引力场,或者是宇宙大尺度引力现象时,必须使用广义相对论,才能得出正确的结论。详情请参考笔者有关广义相对论的科普读物【注2】

 

世界的万物之间都存在引力,引力使得两个质量互相吸引。一个系统中,如果没有别的足够大的斥力来平衡这种吸引力的话,所有的物质便会因为引力吸引而越来越靠近,越来越紧密地聚集在一起,并且,这种过程进行得快速而猛烈,该现象被称为"引力塌缩"。在通常所见的物体中,物质结构是稳定的,并不发生引力塌缩,那是因为原子中的电磁力在起着平衡的作用。

 

在恒星形成和演化过程中存在引力塌缩。所有恒星都是从分子云的气体尘埃坍缩中诞生的,随之凝聚成一团被称为原恒星的高热旋转气体。这一过程也经常被称作引力凝聚,凝聚成原恒星之后的发展过程则取决于原恒星的初始质量,因为太阳是科学家们最熟悉的恒星,所以在讨论恒星的质量时,一般习惯将太阳的质量看成是1,也就是用太阳的质量作为质量单位。

 

质量大于十分之一(太阳质量)的恒星,自身引力引起的塌缩将使得天体核心的温度最终超过1,000万度,由此而启动质子链的聚变反应,氢融合成氘,再合成氦,大量能量从核心向外辐射。当天体内部辐射压力逐渐增加并与物质间的引力达成平衡之后,恒星便不再继续塌缩,进入稳定的"主序星"状态。我们的太阳现在便是处于这个阶段,如图2-2所示。

 

质量太小(小于0.08)的原恒星,核心温度不够高,启动不了氢核聚变,就最终成不了恒星。如果还能进行氘核聚变的话,便可形成棕矮星(或称褐矮星,颜色看起来在红棕之间)。如果连棕矮星的资格也够不上,便只有被淘汰的命运,无法自立门户,最终只能绕着别人转,变成一颗行星。

 

图2-3:褐矮星假想图

 

太阳的主序星阶段很长,100亿年左右,到目前为止,太阳的生命刚走了一半,所以我们人类还可以稳当地继续50多亿年与目前差不多的日子,大可不必焦虑。

 

尽管来日方长,但恒星内部的氢,即热核反应的燃料,终有被消耗殆尽的那一天。对太阳而言,从现在开始,温度将会慢慢升高,当它100亿岁左右,核心中的氢被烧完了,核心区域就会收缩,温度升高而点燃了氦聚变碳的过程。于是,太阳会突然膨胀起来,体积增大很多倍,形成红巨星。那时候,地球的灾难来了,将和太阳系的其它几个内层行星一起,被太阳吞掉。但愿那时人类的科学技术已经发达到很高的程度,人类早已搬离了太阳系,去到了一个安全的地方。

 

太阳最后的结局是白矮星,之后不断降温直到黑矮星。这儿我们用"矮"字来表示那种体积小但质量大的天体。恒星家族中有五种小矮子:黄矮星、红矮星、白矮星、褐矮星、黑矮星。不过,天体物理中人们最感兴趣的是白矮星。

 

人类对恒星的研究始于太阳但不止于太阳。特别是,恒星的生命周期长达数十上百亿年,比我们个人的寿命不知道大了多少倍。恒星的进化过程缓慢,我们看到的太阳天天如此,年年如此,好像世世代代都如此。如果仅仅从太阳这一个恒星的观测数据,很难验证我们上面图2-2中对太阳生命周期(大约140亿年)的描述,我们任何人的一生中,都无法观察到太阳过去的诞生过程,也无法看到它变成红巨星以致白矮星时候的模样,我们所能看到的,只不过是太阳生命过程中一段极其微小的窗口。

 

科学家总能够找到解决问题的办法,宇宙中除了太阳之外,还有许许多多各种各样的恒星,有的与太阳十分相似,有的则迥然不同。它们分别处于生命的不同时期,有的还是刚刚诞生的"婴儿"恒星;有的和太阳类似,正在熊熊燃烧自己的生命之火,已经到了青年、中年或壮年;也有短暂但发出强光的红巨星和超新星;还有一些已经走到生命尽头的"老耄之辈",变成了一颗"暗星",这其中包括白矮星和中子星,或许还有从未观察到的"夸克星"?此外还有黑洞,它们是质量较大的恒星的最后归宿,可比喻为恒星老死后的尸体或遗迹。观测研究这些形形色色的处于不同生命阶段的恒星,便能给予我们丰富的实验资料,不但能归纳得到太阳的演化过程,还可用以研究其它天体的演化,星系的演化,以至于宇宙的演化。

 

更多有关恒星的演化过程,将在后续文章中继续介绍。下一篇,我们将继续启动飞船,飞向银河系,去探索更多的星星。

 

更多有关恒星的演化过程,将在后续文章中继续介绍。下一篇,我们将继续启动飞船,飞向银河系,去探索更多的星星。

参考文献:

【1】Bill Bryson, A Short History of Nearly Everything[M]., Broadway Books, pp.123-148, 2004,

【2】Grupen, Claus, Astroparticle Physics[M]., Springer,pp.123-148, 2006.

 

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