天体尺度上的重大灾变事件——恒星的形成和归宿下

天体尺度上的重大灾变事件——恒星的形成和归宿下 自然杂志第卷第期特约专稿 天体尺度上的重大灾变事件——恒星的形成和归宿下赵君亮研究员中国科学院上海天文台上海关键词行星状星云白矮星中子星黑洞恒星之一生长者可达几万亿年短则不到一千万年期间历经多次短时标的灾变事件。而此类事件出现前后恒星多方面性质发生了非常剧烈的、甚至是根本性的改变。对此天文学家已经有了较为充分的认识。但尚未完全洞悉其中之众多奥秘。白矮星和行星状星云目前。恒星演化到红巨星阶段的理论工作已经相当成功具体表现是能对赫罗图上恒星的分布以及图上不同位置处恒星的各种物理特性做出合理的解释。但是至于红巨星阶段之后应该发生哪些情况迄今还没有完全弄明白。红巨星阶段之后恒星处于不稳定态最终会因某种原因发生猛烈爆炸同时把外层物质高速向外抛出。如果外层物质抛去后剩余部分星体的质量小于表示太阳质量则恒星会演化为白矮星。这一过程的具体情况是红巨星抛去外层物质后剩余的恒星物质在自引力作用下向内挤压星体不断缩小向内的压力不断增大最终会使物质原子中的电子与原子核相脱离。于是恒星内部的物质结构呈现为一片漂浮着原子核的电子“海洋”。在星体收缩的过程中。这种电子气体的密度不断增高电子气体压随之增大这一过程一直进行到电子气体压能阻挡星体进一步的引力坍缩达到一种新的平衡态这时一颗白矮星就诞生了。中等初始质量通常不超过恒星在生成白矮星的过程中从星体分离出去的红巨星包层物质向外扩张会形成所谓行星状星云。之所以冠名为“行星状”只是因为此类星云用望远镜观测能像行星那样被放大与恒星像不可能放大有所不同。这一名不副实的称渭一直沿用至今。行星状星云生成之初总光度可高达 为太阳光度。随着星云的向外膨胀星云物质的密度很快降低同时光度迅速下降星云很快会因光度过低而难以观测到。有人估计行星状星云的平均寿命约为万年。另一方面恒星从不稳定态过渡到白矮星这种稳定态则需要几万到几十万年时间。因此当位于星云中心的星体演化成白矮星之时与中心星近乎同时形成的行星状星云早已杳无踪影了。白矮星是一种低光度恒星呈蓝白色可见表面温度很高其直径仅为前身恒星的几十分之一到百分之一尺度与地球大小相当可谓是恒星世界中的“侏儒”于是被冠名为白矮星。另一方面白矮星的质量与太阳质量相近所以物质密度非常大可达 是一种高度致密的天体。在白矮星内部已不再会发生任何热核反应随着剩留热量的逐渐向外释放星体的表面温度和光度便不断下降慢慢地变为红矮星以至黑矮星那时就更难探测到了。银河系内目前已发现的白矮星超过颗。有人从观测资料估计白矮星的数目可占恒星总数的左右而理论上推算的结果是这一比例可达左右。不过由于白矮星光度很低距离一远很难观测到。白矮星质量的理论卜限是印度裔美国天体物理学家钱德拉塞在研究恒星内部结构时提出的并得到后人的证实故又称为钱德拉塞卡极限。由于他在白矮星稳定性和黑洞等天体物理领域理论研究方面的重要贡献于年获得诺贝尔物理学奖。据称有关白矮星质量的理论上限是年月钱德拉塞卡在乘船从印度去英国学习的旅途中推导出来的。当时他只有岁。事实上在钱德拉塞卡的工作之前人们已经知道有白矮星这样的高密度、低光度恒星存在。天空中最明亮的恒星——天狼星的伴星就是一颗典型的自矮星。年德国科学家贝塞尔通过长达年时间的观测发现天狼星在天空中的运动轨迹是一条很有规则的曲????万方数据 线而不是直线见图。贝塞尔对此的解释是这颗亮星的附近应该有一颗未能观测到的暗伴星——天狼后者的引力作用影响了天狼星的运动。年这颗伴星为美国人克拉尔克所发现。世纪初通过光谱等多方 面的观测研究表明天狼的物质密度非常大。嗣后随着原子结构理论和相对论的问世人们才对此类恒星的物理特性给出了正确的解释。可见对白矮星的认识过程是观测事实在先理论说明在后。圈天狼星实线及其伴星虚线的运动轨迹就天文学时间尺度来看几万到几十万年只是极短的时段而就在这么短的时间内演化晚期的恒星级“巨无霸”——红巨星很快演变为“侏儒”级天体——白矮星直径减小到原来星体尺度的几千分之一密度则增大了即亿倍以上在这期间恒星的结构和物理化学性质发生了巨大的变化这显然是一场恒星世界的灾变。中子星与大质量恒星演化晚期的超新星爆发事件相比上述中小质量恒星演化晚期出现的灾变之规模也许只能称之为“小巫”而已。大质量恒星的最终归宿之一是中子星而对中子星的认识过程与白矮星恰好相反——先有理论上的预言然后才通过观测得以证实。关于中子星的理论预言最早可追溯到世纪年代。年在中子发现后不久苏联物理学家朗道从理论上提出了宇宙中可能存在基本上由中子组成的????恒星此类星体的物质密度极高这可谓是有关中子星的最早预言。年德国天文学家巴德和瑞士天文学家兹维基指出超新星是恒星演化末期所出现的一种天象最终是形成由中子密聚而成的中子星正式提出了有中子星存在的假设。年后奥本海默和沃尔科夫建立了第一个中子星模型。根据科学家们的预言中子星直径仅为几十公里但质量比太阳大。这类天体的物质密度居然比白矮星还要高亿倍可达 即 中子星物质可重达 亿吨这种密度实在高得令人不可思议无怪乎在之后的几十年时间内少有人认真关注宇宙中是否真会存在中子星多数人更把这一理论研究成果看作为一种痴人说梦话式的物理游戏。如果说年前有人拒绝使用伽利略望远镜观测天象完全是出于无知或是缘于对亚里斯多德的过度崇拜那么世纪年代科学界对中子星预言的普遍性冷淡可真是事出有因。随着时间的推移多年后科学家在不经意间发现了脉冲星从而令人信服地证实了关于中子星的科学预言。年美国师央斯基首次探测到地球外天体的射电辐射从而开创了射电天文学。年英国剑桥大学实施一项射电观测计划目的是通过对射电源闪烁现象的观测来探究太阳风的运动和结构并兼作射电源角大小测量。天文学家休依什是该项目负责人由他的研究生贝尔小姐担任助手。时年贝尔仅岁她的任务相当枯燥每天的记录纸带长达 必需进行非常细致的人工分析。这位年轻人以很大的热情投入自己的工作在不到个月时间内即发现了一个极有规律的“怪异”闪烁射电源其观测表象是每隔周期性地准确发出一个射电脉冲。不久人们又发现了另外个类似的射电源。翌年初师徒二人在对总长度达 的记录纸带做了详尽的分析后认定他们发现了一种前所未知的新型天体。该类天体的射电辐射应该沿着其磁轴即南北磁极之连线发出且具有强方向性天体的自转速度极高而自转轴与磁轴并不重合。对贝尔发现的那个天体来说自转周期为 因射电源的辐射每隔 扫过地球一次『被观测到。由于辐射扫过地球的时段非常短地球上观测的效果便表现为一种周期性出现的窄射电脉冲故而被命名为脉冲星见图。脉冲星的自转速度实在太快即使是密度高达每立方厘米吨的白矮星如果以这样“疯狂”的速度自转在强大的离心力作用下也会很快撕得粉碎而不复存在。不久脉冲星的真相便大白于天下它们就是多年前科学家所预言的有强磁场的中子星。鉴于这一重大发现年瑞典皇家科学院破天荒地第一次把诺贝尔物万方数据自然杂志第卷第期特约专稿理学奖授予了天文学家休依什。颇不公正的是为之付出辛勤劳动的贝尔却没能共享这一科学界的最高荣誉。图脉冲星灯塔模型示意图中子星又是怎样形成的呢这个问涉及到大质量恒星的晚期演化。大质量恒星核区的氢燃烧进行得很快只能维 持几千万年甚至更短星体核区很快便进入氦燃烧阶段。这一阶段星体的结构与由中小质量恒星演化而来的红巨星相类似但体积更大成为一颗超巨星而物质损失比主序阶段更为严重甚至连核心区都会渐裸露出来。小质量恒星的演化通常结束于核区出现氦聚变为碳的核反应——氦燃烧而大质镀恒星的演化与之不同它们可以进而通过一次又一次的坍缩和升温过程达到非常高的温度在很短时间内依次发生碳燃烧、氖燃烧、氧燃烧、硅燃烧等核反应直至最终生成铁元素之后核能消耗殆尽。这一系列后期过程进行得甚为迅速但所产生的总能量远不如氦燃烧更不能与主序星阶段的氢燃烧相比。如在核能耗尽后剩余部分星体的质量大于 但不超过。那么演化的结局便会诞生一颗中子星。形成中子星的具体过程是铁元素生成后进步的核反应要吸收热量而不像之前各轮核反应会释放热量于是恒星核?便迅速冷却。这样一来与引力相抗衡的压力近乎完全消失核区物质快速向内坍缩由此产生的向内作用力极大。能使白矮星维持稳定态的电子气体压也不足以阻止外部物质的继续坍缩结果会把电子“压人”原子核并与质子结合而生成中子。中子是不带电荷的它们可以摆脱核的束缚而形成简并中子气体。随着这一坍缩过程的不断推进中子气体的压力会因物质密度的增高而增大并最终增大到能阻止引力坍缩的继续进行从而达到一种新的平衡态——中子星。之所以称为中子星是因为这时除了外壳部分星体物质的主要成分是密聚在一起的中子。电子和质子仅占。中子星的磁场强度可高达高斯。中子星形成之后星体核区已不可能进一步向内坍缩但外部物质还在继续快速内落一旦发生反弹由蓄积起来的引力势能转化而来的大量能量会通过某种机制在短时间内很快释放出来。使星体外层物质急剧地向外快速抛出观测上便表现为超新星爆发事件。超新星爆发对大质最恒星来说是终其一生的最重大灾变事件爆发后剩下的只是它的“残骸”——超新星遗迹以及位于遗迹中心部位的中子星。著名的蟹状星云便是公元年月一颗超新星爆发后的遗迹中国史《宋会要》对此有详细记载在长达天时间内原本毫不起眼的一颗暗星会变得如金星般明亮大白天肉眼都能看到。年观测到了蟹状星云超新星爆发所生成的中子星脉冲周期仅为 。目前蟹状星云中的气体正以 的高速度在继续向外膨胀。恒星级黑洞中子星并不是所有大质鼍恒星的最终归宿它们有一个质量上限即称为奥本海默极限。如果外层物质抛出后剩余星体的质量超过了这个上限坍缩过程中向内的作用力会变得更大以至连中子气体压也无法阻止坍缩的继续进行。于是坍缩过程会持续不断地进行下去不可能结束于中子星这种平衡态。在这个过程中向内的引力越来越强星体变得越来越小同时物质密度不断增高最终会达到这样一种临界状态星体引力之大使包括光子在内的一切粒子都不能向外逸出这意味着外部世界便无法观测到它于是成了一个“黑洞”。黑洞町真是“无底洞”对黑洞来说一切物质和辐射只进不出其引力之强足以吞食掉进入其“势力范围”内的所有物质和辐射。黑洞边界就是外部观测者所无法看到的区域之边界称为视界视界的半径则称为引力半径。物体的引力半径只有 引力半径范围内物质的平均密度高达 即每立方厘米亿吨是中子星密度的倍黑洞的原始概念始于年当时英国人米歇尔提出可以存在质量足够大、密度足够高的恒星其引力之大使光线都无法向外逃逸出去。不久拉普拉斯根据牛顿引力理论和光的微粒说预言在宇宙中可能存在黑洞。他认为只要天体的引力足够大从而使其表面的逃逸速度大于光速那么天体所发出的光子就会被自身引力拽回来外界便无法观测到这个天体。不过当时并未冠名为“黑洞”而足称之为“暗星”。拉普拉斯指出“一个密度类似地球而直径为太阳倍的发光恒星在其引 力的作用下将不容许它的任何光线到达我们这儿”。年拉普拉斯在他的《天体力学》一书中导出了这种“暗????万方数据 星”的质量 与其半径 之间的关系为 这里是万有引力常数为光速。后来由于光的波动说在世纪初得以证实拉普拉斯对他自己的“暗星”之说产生了怀疑。年奥本海默等人根据广义相对论再次证明只要满足一定条件黑洞确实可以存在。有意思的是奥本海默得出的黑洞存在条件居然与拉普拉斯从经典物理学导出的结果相一致。年脉冲星的发现有力地说明钱德拉塞卡和奥本海默等人关于恒星坍缩的理论是正确的于是“暗星”迅即成为天体物理界的研究热点。同年美国物理学家惠勒给这种“暗星”取名为黑洞这一通俗而又易于上口的称呼很快被广泛认同。实际上黑洞并非是黑颜色的更不是一个什么洞它只是一类特殊的天体。也许我们可以给黑洞以这样的定义这是一类具有封闭视界的天体外来的物质和辐射能进入它们的视界以内但视界内的任何物质和辐射都不可能逸出视界。从结构上看视界可算作是黑洞的“表面”但只是一个时空区域的边界而不是黑洞的实体表面。视界犹如某种单向膜它把黑洞内部与外界隔离开来任何辐射都被囚禁在视界之内没有信号能越出视界到达外部世界因而外界的观测者永远无法得知黑洞视界内在发生些什么所能探测到的只有黑涧的质量、电荷和角动量。黑洞物质全部集中在位于黑洞中心的所谓奇点处奇点与视界之间则空无一物。奇点的尺度为无限小其物质密度为无限大物理学定律在奇点处无效。黑洞是看不见的或者说无法直接观测到至少到目前为止就是如此。但是这并不等于说没有探测到它们的存在。在银河系中。至少约有三分之一的恒星以双星系统的形式出现。如在双星的两颗子星中一颗是普通恒星另一个是黑洞而前者是可以观测到的则在一定条件下通过对那颗普通恒星的观测有可能探测到有另一颗不可见伴星的存在并计算出它的质量。要是伴星质量超过中子星的上限那么很可能就是一个黑洞。不过通常人们给以一种较为审慎的说法——黑洞候选天体或候选黑洞。如一个密近双星系统由一颗普通恒星和一个黑洞组成那么因为恒星会发出由质子和电子流构成的星风而星风在穿越黑洞附近时会被黑洞的强引力场所俘获而进入绕之旋转的运动轨道。长此以往黑洞周围便会形成一个扁平状的气体盘称为吸积盘见图。越是靠近黑洞吸积盘中的气体转动得越快因而不同部分气体便会相互发生摩擦结果使气体以旋涡形式向黑洞内落最终为被黑洞所“吞食”。在这一过程中气体会因摩擦而升温温度最终可高达万度甚至更高????于是就会发出 射线。一旦探测到某个密近双星在发出射线而不可见伴星的质量又明显超过奥本海默极限那么它很可能就是黑洞了此类双星称为 射线双星。著名的黑洞候选天体——射线源天鹅一就是通过这条途径发现的它的伴侣是一颗很容易观测到的蓝超巨星。图密近双星中黑洞吸积物质的示意图。左边蓝超巨星的物质被右边黑洞吸积形成吸积盘对于一个变光天体来说其亮度变化的时间尺度可用来推知天体大小的上限。实测结果表明天鹅一的 射线光度会在不到 的时间段内突然增强多倍这意味着光线通过该天体所需的时间必定小于 由此可见它的尺度应该远小于 。否则的话因天体不同部位所发出辐射到达地球时间的不同就不可能观测到如此快速而又清晰的光变特征了。上述推理亦可作为天鹅一可能是黑洞的一项佐证。世纪年代著名英国物理学家霍金等人根据量子力学理论对黑洞性质做了细致的研究结果发现黑洞表现出会通过一种比较复杂的物理过程向外稳定地发射粒子称为黑洞蒸发。考虑到这种蒸发效应黑洞就不能再认为是绝对“黑”的了。黑洞是有温度的温度高低与黑洞质量成反比质量越大温度越低蒸 发越是微弱小质量黑洞因为温度很高蒸发过程可以非常强烈。霍金发现如只考虑黑洞本身那么它们居然有可能完全蒸发掉。对于的黑洞来说这个过程可能长达年但是质量与小行星相当的一个小黑洞可以在— 内瞬即蒸发殆尽。威胁人类恒星从形成、演化直到终极归宿一生中必然会经历多种不同的灾变事件。有的事件相对“温和”些历时较长如从原恒星云坍缩为主序星有的灾变则非常剧烈历时很短此类事件以超新星爆发为最甚者。无论是哪种形式的灾变天体各方面的性质在事件发生前后表现出有非常大的、甚至是根本性的改变所谓“灾变”也就是这个含义而并不追究其结果之“好坏”它们是万方数据自然杂志第卷第期特约专稿一类自然现象而“好”还是“坏”或许只是人为的判断。另一方面既然天体灾变乃是一种带有一定普遍性的事件那么此类事件会否对地球和地球人造成某种威胁呢须知在恒星世界中诸如新星、超新星爆发之类的剧烈灾变事件所释放出的能量。要远远大于任何一个小天体撞击地球的威力。今天的人类既然已在认真思考小天体撞击地球的可能性、后果以及应对策略那么很自然也会探讨涉及恒星灾变的一些问题。首先来考虑新星爆发的可能性而新星爆发的主要原因来自相互间有物质交流的密近双星。当双星系统中质量较大的主星经红超巨星阶段而先演化为白矮星后。质量较小的伴星在演化晚期会不断抛出富氢物质其中一部分为白矮星主星所吸积。随着这种吸积过程的发展白矮星表面便会形成一层富氢气壳层。气壳层的底部因受到越来越大的压力而被加热一旦温度和密度达到足够高时就会发生热核反应并导致星体爆发其观测效应就是新星爆发。太阳是距离地球最近的一颗恒星在质量、大小、光度和温度等方面在恒星世界内均处于中等地位可以说是“貌不出众”。作为一颗主序星的太阳。自诞生至今已经存在了亿年尽管太阳表面不时出现小规模的爆发事件但总体上呈现出一种稳定状态地球上多姿多态的生态圈就是在这样的条件下形成的。可以肯定地说太阳决不可能与任何恒星构成密近双星并与之发生物质交流。因此在太阳及其邻近区域内不会出现对地球构成严重威胁的新星爆发事件。超新星爆发时释放的能鼍比新星高出万倍其影响范围自然要大得多。不过。好在只有满足一定条件的大质量恒星到演化晚期才会经历这种超级爆炸事件而此类恒星是为数不多的。据有人研究大约万年前在距地球光年的地方可能发生过次超新星爆发此类罕见事件平均每几百万年才会出现一次。如果确有其事那么旧石器晚期的史前人类应该会在天空中短时间内看到一颗突然变得非常明亮的星星嗣后又渐而变暗直至最终恢复原状。估计该天体最明亮时的亮度可达到满月平均亮度的多倍约为太阳亮度的千分之一。理论上说这颗超新星的大部分辐射集中在紫外波段。当辐射到达地球时地球高层大气受到的紫外辐射会比来自太阳的同波段辐射强倍而高层大气的电离度相应地会提高倍。幸好地球有一圈厚厚的大气层近地面大气密度又相当高大气圈的保护作用使这种可以毁灭一切生物的致命辐射不可能到达地面原始人类和地球上的其他生命也就不会因之而惨遭灭顶之灾。近距离超新星爆发的最重要影响是初级宇宙线强度的增高。高能粒子从超新星抛出初始速度可高达每秒几千公里随着抛出气体温度的下降。粒子的运动速度渐而减慢。对于万年前光年远处的一次超新星爆发来说大约还要经过几万年时间后“携带”初级宇宙线的气尘云才会到达并包围整个太阳系。不过届时对地球而言也只是初级宇宙线中的软成分强度增大几倍而已。但如果超新星爆发出现在光年远处影响就会严重得多宇宙线强度将增高倍并大约持续万年而过几十万年之后宇宙.