书城科普读物破译奥秘大世界丛书:破译神奇天文之谜
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第30章 宇宙之谜(2)

大质量恒星引力场的引力比小恒星的大,在这种较强引力的作用下,其核也挤压得比较紧,因此核更热,聚变反应超越脚下恒星的氧一氖阶段后仍能继续进行。氖进一步结合形成镁,镁又能结合形成硅,然后硅再结合形成铁。在其寿命的最后阶段,这种恒星可能会由6个以上的同心壳层组成。各自消耗不同的燃料。这时中心温度可达摄氏30~40亿度。恒星一旦开始形成铁,它就到达了死亡的终点,因为铁原子的稳定性最高而所含的能量最少。无论是铁原子转变成复杂的原子还是转变成简单的原子,都必须输入能量。

而且,当核心温度随年龄增长时,辐射压力也随着增加,并且与温度的4次方成正比,即当温度升高到2倍时,辐射压力会增加到6倍,因此辐射压力和引力之间的平衡变得更加脆弱。根据霍伊耳说法,最后,中心的温度上升得非常高,从而使铁原子变成氦。但是要发生这种情况,正如刚刚说过的,必须给铁原子输入能量。当恒星收缩时,可以利用它所得到的能量把铁转变成氦。然而,所需的能量是如此巨大,根据霍伊耳的假定,恒星必须在1秒钟左右剧烈地收缩成原来体积的极小一部分。

当这种恒星开始崩溃时,它的铁核仍被大量尚未达到最大稳定性的原子包围着。随着外层的崩溃,原子的温度升高,这些仍然可以结合的物质则全部“点火”,结果引起一场大爆发,将恒星外层物质从恒星体内喷出去。这种爆发就是超新星。蟹状星云就是由这种爆发形成的。

超新星爆发的结果,将物质喷发到空间,这对于宇宙的演化具有巨大的重要性。在宇宙大爆炸时,只形成了氢和氦。在恒星的核内则陆续形成其他更复杂的原子,一直到铁原子。如果没有超新星的爆发,这些复杂原子会锁在恒星的核内,一直到白矮星。通常只有极少量的复杂原子通过行星状星云的晕进入宇宙中。

在超新星爆发的过程中,恒星较内层的物质会被有力地喷射到外围空间,爆发的巨大能量甚至能够形成比铁原子更复杂的原子。

喷射到空间的物质会同已经存在的尘埃气体云,并且成为形成富含铁及其他如金属元素的“第二代新恒星”的原材料。我们的太阳可能是一颗第二代恒星,比一些无尘埃球状星团的老恒星年轻得多。那些“第一代恒星”金属含量很低而氢含量很高。地球是从诞生太阳的同一残骸中形成的,所以含铁非常丰富,这些铁也许一度存在于几十亿年前爆发的一颗恒星的中心。

司是在超新星爆发中已经爆发的恒星,其收缩部分的情况又是如何呢?它们形成白矮星了吗?体积和质量更大的恒星只是形成体积和质量更大的白矮星吗?

1939年,在美国威斯康星州威廉斯湾附近的叶凯士天文台工作的印度天文学家张德拉塞卡计算出,大于太阳质量1.4倍以上的恒星,不可能通过霍伊耳所描述的正常过程变成白矮星,从而第一次指出,我们不能期望有越来越大的白矮星。这个数值现在叫做“张德拉塞卡极限”。事实上,结果证明到目前为止,所有观测到的白矮星质量都低于“张德拉塞卡极限”。“张德拉塞卡极限”存在的理由是,由于白矮星的原子中所含的电子相互排斥,因而使白矮星不能再继续收缩下去。随着质量的增加,引力强度也增加;达到1.4信太阳质量时,电子排斥力变得不足以克服白矮星的收缩力,白矮星将坍缩成更小更致密的星体,而使亚原子粒子实际上互相接触。这种星体必须等待利用可见光以外的辐射来探测宇宙的新方法发明之后,才能探测出来。

我们的太阳

太阳是一颗典型的质量不大的恒星,它平稳地燃烧自身的氢燃料,并把核区转变成氦。目前,就有些核反应来说它的内核是不活泼的,因此内核无法提供足够高的热能以维持太阳不出现毁灭性的引力收缩。为了防止坍缩的发生,太阳必须使它的核区活动向外扩展,以寻找未经反应的氢。同时,氦核逐步收缩。因此,尽管在过去几十亿年中太阳内部发生了一些变化,但其外貌几乎没有任何的改变。它的体积将会膨胀,但表面的温度却略有下降,颜色也会变得红一些。这种趋势一直要持续到太阳变成一颗红巨星,那时它的直径也许会增大500倍。红巨星阶段标志着小质量恒星生命结束期的开始。

随着红巨星阶段的到来,太阳一类恒星的稳定性便不复存在。太阳一类恒星在其生涯中红巨星的各个阶段情况复杂,活动激烈而又变化无常;相对而言,它的行为和外貌会发生较快的变化。上了年纪的恒星肯定能够经历几百万年时间的脉动,或抛掉外层气体。恒星核区中的氦可能会点燃,生成碳、氮和氧,并提供能使恒星维持较长一段时间所必需的能量。一旦外壳被抛入太空,恒星便不再继续剥落,最后露出的是它的碳氧核。

在这一复杂活动时期以后,小质量和中等质量的恒星不可避免地会向引力屈服,并开始收缩。这种收缩是不可逆转的,并一直要进行到恒星被压缩至小的行星那么大为止。恒星变成一个天文学家称之为白矮星的天体。因为白矮星非常的小,所以极其暗弱,尽管它们的表面温度实际上要比太阳表面温度还高得多。在地球上只有用望远镜才能看到它们。

白矮星就是太阳遥远未来的归宿。但太阳到达那一阶段时,它仍能在好几十亿年时间内维持炽热状态。它绝大部分密度非常高,结果内部热量被有效地封闭起来,其绝热性能比我们现在已知道的最好的绝热体还要好。但是,热辐射在寒冷的外部空间缓慢地泄漏,而由于内部核熔炉永久性地关闭,因而再也不能指望有任何燃料储备来补充这种热辐射。我们曾经拥有过的太阳现在成了白矮星残骸,它将非常非常缓慢地冷却下来并变得越来越暗,直到进人它的最终变化形态。在这一过程中它逐渐变硬,成为一种刚性极好的晶体。最终,它会继续变暗直至完全消失在黑暗的太空之中。

救援卫星

1982年9月初,西姆斯基克尔的儿子驾驶私人飞机在加拿大西部山区失事。西姆斯基克尔租了一架小型飞机去寻找。不幸的是,他驾驶的飞机又在不列颠哥伦比亚省森林茂密的群山峡谷中坠毁。

加拿大航空救险队经过一小时的搜寻,毫无结果。有关方面转而向刚刚投入使用的救援卫星“宇宙1383”求救。卫星很快向地面发来飞机坠毁的位置数据,使救援得以顺利进行。

1982年10月10日凌晨,“冈佐”号三体赛艇在大西洋上捕塔基特岛以东翻沉,被困在船舱里的两名美国人和一名英国人立即发出求救信号。环球航空公司一架飞往里斯本的班机收到呼救信号,立即通知了联邦航空管理局海洋交通控制中心。该中心又用电话通知美国海岸护卫队纽约营救中心的值班军官戈茨。

戈茨认为,最好的救援办法是借助“宇宙1383”号救援卫星,傍晚,卫星就将遇难者的位置资料传到斯科特空军基地。第二天早晨6点55分,美国海岸护卫队从北卡罗来纳州伊莉沙白城航空站调遣一架飞机前去营救。飞行员很快找到了被暴风刮翻了的三体赛艇,救出了遇险者。

1984年5月,一名妇女乘狗拉雪橇在横越阿拉斯加的800公里诱行中得了病。幸好她带有一台小型信标机,通过救援卫星,得以及时获救。

国际卫星救援组织首先由美国、加拿大、法国和苏联筹建。到1984年6月,三颗苏联卫星和一颗美国卫星组成了救援卫星网,4个小时内可把全球每个角落搜寻一遍。

目前世界上已有几十个国家加入国际卫星救援组织,该组织在美国、加拿大、英国、法国、挪威和苏联设有11个救援卫星地面接收站。有了卫星救援系统,只要在舰船和飞机上分别配备121.5兆赫和243兆赫的信标机,一旦失事,救援卫星就可及时收到它们自动发出的呼救信号,然后将发出信号的位置(误差小于5公里)转发给地面接收站。由于救援卫星接收呼救信号及时,定位精度高,搜索和营救工作可在几小时内完成,在头三年内,已营救失事舰船和飞机150艘(架)次,救出500多人。

1982年秋,一队科学家在洪都拉斯沿海考古时,一只野猪将考古队未及收拾的橡皮电缆吞吃了。英国和洪都拉斯考古学家急于脱离险境,哪知在林中迷了路。幸好,他们带有一台手提式卫星定位仪。通过“子午仪”导航卫星很快就确定了他们所在位置的经纬度和海拔高度,终于走上了归途。

1984年10月中旬,50多艘苏联油轮、货船被寒流冻结在远东科隆海湾,巨大的冰块压折了几条船的船身,船队进退维谷。苏联派出的原子破冰船队,在“宇宙1500”号地球和海洋观测卫星提供的冰情遥测图象指引下,开辟了一条最安全的航线,使遇险船队得以脱险。

我国宝成铁路北段,经常发生崩塌、滑坡和泥石流等灾害,用传统办法很难根治。利用卫星遥感照片找到造成灾害的根本原因后,终于制订出了根治措施。

卫星也可间接救灾。1981年7月,四川连降暴雨,长江中下游告急,荆江准备分洪。但国务院根据卫星云阎资料,判明暴雨即将过去,做出了不分洪的正确决策。

近几年,我国利用气象卫星监测森林和草原火情,每年减少损失上亿元。此外,人造地球卫星在预报和观测火山爆发和地震等灾害方面也起着重要作用。

宇宙中神秘的过客——中微子

根据现代科学的认识,我们生活在其中的这个宇宙是在大约150亿年前的一次宇宙大爆炸中诞生的,大爆炸以前和大爆炸最初10-43(-43上标)秒以内,宇宙是什么样子?目前的科学还无可奉告。只知道大爆炸后10-43(-43上标)秒时,宇宙的密度高达每立方厘米10-49(-49上标)克,温度是1032(32上标)摄氏度。当时世界上的物质是我们还不清楚的粒子。瞬间以后,出现了大批我们今天所认识的“粒子”,其中有一类叫做“中微子”。它们不带电,质量极小,与其他粒子的相互作用极弱,长期在太空邀游。还有另外一些粒子,由于它们的相互作用较强,随着宇宙温度的变冷而逐渐凝结成原子、分子,凝聚成星球。大约50亿年前,太阳和太阳系形成了,其中也包括地球。

在微观世界中,中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径有很多,如恒星内部的核反应,超新星的爆发,宇宙射线与地球大气层的撞击,以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。由于中微子与物质的相互作用极弱,难以捉摸,以至人们至今对它的认识还很肤浅,就连它有无质量也还没有搞清楚。

虽然单个中微子的质量微不足道,但由于宇宙中它的数量极其巨大,平均每立方厘米有300个,密度与光子相仿,比其他所有粒子都要多出数十亿倍,它有无质量关系到人类所在的宇宙将如何演变。科学家目前认同的有两种设想:一种情况是宇宙将像现在这样永远膨胀下去,另一种情况是它膨胀到一定程度后在自身引力作用下发生收缩,哪一种情况会发生取决于宇宙的总质量。

如果总质量小于某个临界值,宇宙自身的引力就不足够大,前者将会发生;反之后者将会发生。如果中微子具有静止质量,其总质量会非常惊人,影响到宇宙总质量与临界质量的对比关系,即决定宇宙是膨胀还是收缩。

而且,从星球内部发出的光很难穿出庞大的星球,我们观察到的星光、太阳光只是星球和太阳表面发出的光,只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。

中微子的发现

要追溯中微子发现的经过,还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起。当时,科学家们发现,在量子世界中,能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的,而且原子核中放出的α射线和γ射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的,是符合量子世界的规律的。奇怪的是,物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的,而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分,还有一部分能量失踪了。

1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱,以致仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值,能量守恒仍然成立,只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”,最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。但在1931年,泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出,这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。1932年真正的中子被发现后,意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子。

1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外,还有第三种相互作用——弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之谜终于解开了。

泡利的中微于假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受,但终究还是蒙上了一层迷雾:谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过,中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候,我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生,直到回国,他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验。1941年,王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章,发表在次年美国的《物理评论》杂志上。1942年6月,该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案做的实验结果,证实了中微子的存在,这是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功,直到1952年,艾伦与罗德巴克合作,才第一次成功地完成了实验,同一年,戴维斯也实现了王淦昌的建议,并最终证明中微子不是几个而是一个。