书城童书宇宙的起源(宇宙瞭望书坊)
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第20章 恒星探秘(3)

我们现在经常能观察到其他星系中的超新星。1979年12月6日,英国《自然》杂志刊登的D·赫尔方和K·朗的文章足以使20世纪初的天文学家惊讶得目瞪口呆。文章宣称:“1979年3月5日,由9个星际飞行器组成的爆发传感器网络,记录到了极其猛烈的硬X射线与γ射线的爆发。根据飞行时间测定:其位置与大麦哲伦星云中的N49号超新星的残留物位置相一致。”(大麦哲伦星云所以这样命名,是由于在北半球第一个注意到这个星云的人叫麦哲伦。这是银河系的一个小卫星星系,在18万光年以外。既然有大麦哲伦星云。当然也有小麦哲伦星云)但是,同一期杂志还刊登了梅泽兹和他在列宁格勒爱奥弗学院的同事合写的文章。他们利用装在“联盟11”号和“联盟12”号宇宙飞船上的γ射线爆发探测器,在登上金星的途中,观察到了这个爆发源。他们认为,探测器检测到的是一个发光的脉冲星,离我们只有几百光年。尽管在位置上很接近,赫尔方和朗并没有肯定γ射线的爆发与超新星的残留物有关。他们估计了各种各样的可能性,其中包括如下这样一个令人吃惊的推断:这个爆发源就在太阳系内!也可能是其他星球的飞船在其漫长航行的归途中排出的废弃物。但是,“N49号超新星发生星体爆发”的理论更容易为人们所接受,因为我们已经证实了超新星的存在。

当太阳变成红巨星时,内太阳系的命运如何是一个严峻的问题。但有一点可以肯定,就是行星决不会被喷发的超新星融化和烤焦。只有比太阳还大的恒星附近的行星才会遭受这种厄运,因为大恒星的温度高、压力大,其核燃料的消耗速度也快,生命周期也就比太阳短得多。在发生异常的核反应之前,一个比太阳大数十倍的恒星将氢转化为氦的过程,最多只能持续几百万年。因此,几乎可以肯定没有足够的时间让任何一个行星出现高级生命形式的进化。其他星球上的生命也不可能知道他们的星球会变成超新星。这是因为,如果他们的生命长到足以使他们能明白超新星是怎么一回事,他们的星球也就不可能变成超新星。

超新星爆发的主要条件是:硅聚变成大铁核。在巨大的压力下,星体内部的自由电子被迫与铁原子核的质子合并。等量而相反的电荷互相抵消,结果星球内部变成一个巨大的原子核。原子核所占据的体积比原先的电子和铁原子核所占的体积小得多。星球中心会发生猛烈的爆聚,而其外部则产生回弹现象。超新星就是这样爆发起来的。超新星的亮度可能比该星系中所有其他星球加起来的亮度还要大。预计在今后几百万年内,猎户星座中所有最近形成的蓝白色超巨星都会变成超新星。猎户座将出现连续不断的宇宙焰火。

可怕的超新星爆发会将原来星球中的大部分物质——少量的氢和氦以及数量可观的碳、硅、铁和铀原子——喷射到宇宙空间,剩下的就是由核力束缚在一起的热中子核。这是一个巨大的原子核(原子量达1056),一个直径只有30公里的恒星,一个小得可怜的、皱缩的、密集的、没有生气的星体碎片,一个快速旋转的中子星。当巨大的红巨星坍塌成这种中子星时,它的自转速度显着加快。蟹状星云中心的中子星就是一个巨大的原子核,其大小与曼哈顿区差不多,每秒钟自转30圈。这个中子星强大的磁场在红巨星坍塌过程中得到进一步增强,并能俘获带电的粒子,其作用颇像小得多的木星磁场。在旋转磁场中的电子会产生辐射束。不仅会产生无线电频率范围内的射线,还会产生可见光。如果地球碰巧位于这个宇宙灯塔的光程之内,我们就会看到它每旋转一次就发生一次闪光。因此,我们又把它称为脉冲星。脉冲星犹如一个宇宙节拍器,它会定时闪光,定时发出嘀嗒声。它比最准确的时钟还要准时。通过对某些脉冲星的长期无线电脉冲频率的测定,我们可以推断。这些脉冲星,例如PSR0329+54号脉冲星,可能有一个或几个小伴星。我们大概可以这样设想:行星能够在恒星演化成脉冲星时免于毁灭,行星有可能推迟被俘获。要是站在这样的行星表面上望天空。我们将会看到怎么样的一番景象呢?

一匙中子星的质量差不多等于普通的一座山的重量。因此。如果你让一小块的这种物质从手里脱掉(你也只能这么做)、它会像石头从空中落下那样轻而易举地穿过地球。在地球上钻出一个洞,从地球的另一侧——可能从中国——钻出来。那里的人们可能正在外面散步、思考着自己的问题。突然一小块中子星物质从地面冒出来,在空中停留片刻,然后又钻回到地球的下面去。这件事至少可以成为那一天人们拿来消遣的话题。如果一块中子星物质从附近的太空中落下来,当它下落时地球又正好在它的下面转动。那么。它就会反复穿越转动的地球,将地球撞出成千上万个孔。直到它与地球的摩擦所产生的作用力迫使它停止运动为止。在中子星物质停止在地心之前,我们的行星内部早就像一块瑞士乳酪一样千疮百孔了,因此只好等地下的岩石流和金属流来愈合这些创伤。幸运的是,大块的中子星物质还从来没有在地球上降落过。但小块的这种物质则比比皆是。中子星的这种可怕力量就潜伏在每个原子的原子核中。也就是说,在每只茶杯中,在每只老鼠身上,在每次呼吸之间,以及在每块苹果馅饼中,都存在着这种力量。中子星告诫我们,不要轻视最平凡的事物。

从上面我们已经了解到,像太阳这样的恒星终将结束它的生命而变为红巨星,然后再变为白矮星。一颗质量比太阳大2倍的恒星坍塌后将变为一颗超新星,然后再变为一颗中子星。那些更大的恒星(例如在经历超新星阶段之后质量比太阳大5倍的恒星)的命运就更加奇特了。重力会使它转变成黑洞。假定我们有一台魔术重力机,那么就可以通过拨动它的刻度盘来控制地球的引力。开始时将转盘拨到1g(g表示重力加速度),地球上所有东西的行为与我们所预料的完全一样,因为地球上的动植物以及所有的建筑物都是按1g演化和设计的。如果重力远远小于1g,所有事物的外形都会变得高而瘦长,动物植物和建筑物都不会因自身的重量而倾倒或粉碎。如果重力大于1g,动物、植物和建筑物都会变得粗壮而结实。但是即使在相当强的重力场中,光仍然是直线传播的。

物体的重量随着重力的减弱而减少,当重力趋近于零时,轻微的动弹就会使我们的朋友漂浮起来,并在空中直翻筋斗;茶或其他液体一旦溢出来就变成在空中跳动的圆球,因为这时的表面张力超过了重力。当重力盘恢复到1g时,所有的茶球都会变成茶雨降落下来。当重力盘转到3g或4g时,人人都动弹不得。甚至移动一只脚都是很费力的。在我们继续将重力盘往上拨之前,我们还是把我们的朋友送出重力机的作用范围以外为妙。在重力还只有几个g的情况下,提灯的光束仍旧直线传播(就我们的分辨能力而言,可以说几乎是直线),这与重力为零时的情形没有什么两样。当重力达到1000g时,光束仍然是直的,但树木已经被压扁。当重力达到100万g时,石头由于自身的重量而粉碎。最后,除了那只具有特殊豁免权的笑猫以外,没有任何东西能够幸存。当重力接近10亿g时,更不可思议的事情发生了:原来笔直射向天空的光束开始弯曲。在极大的重力加速度下,就是光也受到了影响。如果把重力再加大的话,光就会逆转而返回我们附近的地面。此时,任何宇宙间的怪物已不复存在,剩下的只是龇牙咧嘴的引力。

当重力大到一定程度时,任何东西,哪怕是光,都不能够从中逃逸出来。这样的地方就叫做黑洞。黑洞对周围的一切都是冷酷无情的,它是宇宙中的一种怪物。当密度与重力变得足够大时,黑洞熄灭不见了。之所以称之为黑洞,是因为即使是光也无法从中逃脱出来。由于光被捕捉在黑洞里,所以黑洞到处都被照得明晃晃的。虽然我们从外面看不见黑洞,但它的重力存在却是很明显的。在星际航行中,如果你对黑洞没有给予足够重视,你就可能被黑洞无情地拖进去,你的身体就会被拉成细细的长线。但是,万一你在这样的航行中幸免于难的话,你倒是应该好好地看一看附着黑洞周同的碟形物。

太阳内的热核反应支撑着太阳的外层,使悲剧性的重力坍塌延迟几十亿年。白矮星是靠从原子核中脱离出来的电子压力来支撑的,而中子星则是靠中子压力来抵消重力影响的。但对于超新星爆发和其他激变之后的残骸所形成的质量比太阳大好几倍的晚期星体来说,目前还没有什么已知的力量能够防止它坍塌。这种星体令人难以置信地收缩、旋转、发红、最后消失,质量比太阳大20倍的星体则会收缩成美国洛杉矶那样大小。当重力骤增到1010时,这种星体会通过自生的裂缝滑到时空的连续统一体中,最终从我们的宇宙里消失掉。

黑洞是英国天文学家约翰·米歇尔于1783年首先想到的,但是由于这个想法实在太离奇了。所以长期被忽视。一直到最近,这一想法才开始得到重视。随后,人们竟然找到了黑洞存在于宇宙空间中的证据。这一事实使包括天文学家在内的许多人都感到十分惊奇。X射线是不能透过地球大气层的,因此,如果我们要确定这种波长很短的光是否是天体发出的,我们必须将X射线望远镜带到高空中去。世界上第一座X射线观测站是国际合作的范例,它是美国在1971年从意大利的一个发射台发射的,该发射台位于印度洋肯尼亚沿岸,命名为乌呼鲁(Uhuru斯瓦希里语的“自由”)。1971年,乌呼鲁在天鹅座星系发现了一个非常明亮的X射线源。这个X射线源忽隐忽现,频率为每秒1000次,因此这个被称为“天鹅X-1”的射线源必定很小。不管忽隐忽现的原因是什么,这种隐现的信息穿过“天鹅X-1”的速度不会比光速(30万公里/秒)快,因此,“天鹅X-1”的直径不会大于30万公里/秒×1/1000秒=300公里。一颗与小行星一般大小的天体就是一个明亮的X射线源,即使在星际以外也看得见,它可能是什么东西呢?“天鹅X-1”跟一颗炽热的蓝色超巨星并列在一起,从这颗超巨星的可见光里还可以看到一颗以前没有发现过的靠得很近的大伴星,它不断地改变它的引力方向,质量大约是太阳的10倍,该超巨星不可能是一个X射线源。因此,用X射线光源来验证这颗从可见光里看到的伴星是很理想的,但是。一个质量比太阳大10倍而且已经坍塌成小行星的不可见物体只能是一个黑洞,X射线很可能是由聚集在“天鹅X-1”周围的气体和尘埃与超巨星摩擦而产生的,天蝎V861、“GX339-4”、“SS433”以及“圆规座X-2”等星体都可能成为黑洞,“仙后A”是一个超新星的残骸,这颗超新星的光在17世纪就已经到达地球了、当时世上已有不少天文学家,但竟然没有一个人记载过这次爆发。像I·S·斯克洛夫斯基所推测的那样,那里可能隐藏着一个黑洞,黑洞吞噬了爆发中的恒星核,熄灭了超新星的火焰。空间望远镜是追踪、搜索神奇的黑洞蛛丝马迹的有效工具。

为了更好地理解黑洞,我们可以设想一个空间曲面,设想一个平整而又柔软的线性二维平面。如果我们往平面上投下一小团物质。平面就会变形或起皱,一粒弹子围绕这个皱面滚动,滚动的轨迹就像行星绕着太阳运动的轨道,根据这种解释(爱因斯坦的创见),重力就是空间结构的畸变。在这个例子中。我们看到,被物质弄弯曲的二维空间变成了三维的物理空间。设想我们生活在一个三维的宇宙空间里,物质将我们的住地畸变成我们无法直观感觉到的四维物理空间。物质的质量越大,它的重力就越大;平面越褶皱,空间的畸变或弯曲越厉害,以此类推,黑洞是一种无底的深渊。假如你掉进了黑洞,会发生什么事情呢?跟从外面看到的一样,你会觉得下落的时间无限之长,因为在别人看来,你的钟——不管是机械钟还是生物钟——都停止了。但在你看来,你的钟仍在滴答滴答地走动着。假如你能克服引力潮和辐射流的伤害,而且假如黑洞正在旋转着(这是很可能的),那么,你可能出现在时空完全不同的另一部分,即空间上的另外某个区域、时间上的另外某个时刻。有人提出空间有一种蛀洞,这种蛀洞有点像苹果上的蛀洞,尽管这种观点尚未得到证实。重力隧道能够提供一种星际的或星系间的通道,让我们以非凡的速度直抵难以抵达的空间吗?黑洞能作为时间机器为人类服务,把我们带到遥远的过去和无穷的将来去吗?这些设想正在被认真、严肃、周密地讨论着。这个事实表明,宇宙是多么超现实的啊!

从根本的意义上来说,我们都是宇宙之子。试想,在炎热的夏天,你仰望万里无云的天空,阳光炙烤着你的面孔,如果你直视太阳,该是一件多么危险的事啊!太阳离地球足足有1.5亿公里远,但是我们尚能感觉到其巨大的威力。如果我们处在太阳炽热而发光的表面,或进入熊熊燃烧的核火炉中心,我们又将感觉到什么呢?太阳给予人类以温暖,养育着人类,给人类带来光明。是它使地球富饶肥沃,它的强大力量是人类的实践活动所远远不可及的。鸟儿欢快地迎接日出,甚至某些单细胞的生物也有趋光的本能。我们的祖先把太阳奉若神明,这是何等的聪明!但在宇宙之中,太阳只不过是一颗普通的、甚至是平凡的星球。如果我们应该崇拜比自身强大的力量的话,难道我们不该去崇敬太阳和其他星体吗?这种敬畏之心,深深地隐藏在每一位天文调查者之中,有时埋藏得如此之深,以致研究者自己常常没有觉察到它的存在。

银河系还是一个尚未探索的充满神奇的星体的世界。虽然我们对银河系进行过初步的探索,而且正碰到过其中的一些星体,有几个与我们所了解的星体相似,有些则古怪到超出了我们所能想象的程度,但是,我们的探索才刚刚开始。以往的探索航行表明,我们对银河系的许多非常有趣的星体至今仍然一无所知,无法预言。在银河系以外不远的地方,几乎可以肯定存在着行星,它们环绕着麦哲伦星云中的恒星运转,环绕着银河系周围的球状星团中的恒星运转。银河系可能是一个巨大的螺旋形世界,拥有4000亿个星球,此外还有正在坍塌的气体云、正在收缩的行星系、发光的超巨星、稳定的中期恒星、红巨星、白矮星、行星状星云、新星、超新星、中子星和黑洞。我们这个星球上的物质、我们这个星球的形态及其大部分特征,是受生命与宇宙间深刻的内在联系所制约的。这个问题,我们从研究地球本身入手,已经逐步弄清,将来一定会在研究整个银河系行星世界的过程中进一步弄清。