书城自然科学(探究式科普丛书)无法摆脱的境遇:黑洞
49529300000010

第10章 黑洞的远亲近邻——黑洞探索篇(4)

丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素,根据恒星的光谱和光度的关系,创建了赫ˉ罗图,该图用纵坐标表示绝对星等,用横坐标反映光谱类型或表面温度。恒星的分布是有规律的,大部分恒星分布在左上到右下的对角线上,叫主序星。其他,还有红巨星、超巨星、白矮星等类型。不同类型的星表示它们有不同的光度。赫ˉ罗图不仅显示了各种恒星的特点,同时也反映了恒星的演化过程,因此,成为研究恒星的重要手段之一。

5.恒星的结构和能源

目前我们观测恒星,只能看到恒星在外层大气的活动。而恒星大气层,只是它整体结构很薄的一层。一般说来,恒星是一个稳定的、对称的炽热气体星球。它的中央,有一个产能的核心。核心外面,是辐射和对流层。恒星内部结构,主要是由它的质量、化学组成和所处的演化阶段(即年龄)来决定的。恒星内部的物质,越向中心密度越高,其内部温度在几百万至数千万度,于是热核反应,成为长期维持恒星能量消耗的主要能源。在其生命中,主要的产能方式是4个氢原子核聚变为一个氦原子核的核反应。

关于恒星内部结构的理论研究,最先作出卓越贡献的是英国着名天文学家爱丁顿,他在1920年就指出,恒星内部的核心,是具有产能作用的热气体球,并以辐射的方式向外传输它的能量。恒星内部的物质,越向中心密度越高,一般说来,恒星内部温度在几百万至数千万度的状态,不断地向宇宙空间辐射巨大的能量。

那么,恒星如此长期消耗能量,靠什么来补充?1938年,美国物理学家、1967年诺贝尔物理学奖获得者贝特指出,热核反应是长期维持恒星能量消耗的主要能源。恒星内部的产能方式,是4个氢原子核聚变为一个氦原子核的原子核反应,从而证明了爱丁顿早在1920年提出的预见的正确性。现已弄清,氢是恒星演化第一阶段内部产能的“燃料”,氦是恒星“烧完的灰渣”,碳则是“燃烧”过程的“催化剂”。当然,更进一步的研究发现,在核心氢燃尽后,形成的氦又可以聚变产能,但维持的时间则要短得多了。

6.人类对恒星的观测和利用

哈勃望远镜拍摄的天狼星及其伴星照片人类对恒星的观测,历史悠久。古埃及以天狼星在东方地平线的出现,预示尼罗河泛滥的日子。中国商朝,就设立专门官员,观测大火在东方的出现,确定岁首的时刻,与作物播种、收割,并列在卜辞中。而中国明朝的航海家们,则利用航海九星,来判断方向。美国的阿波罗11号飞船,设有光学定位仪,利用恒星,来确定位置。

对恒星体积的测量,可以通过干涉法和月掩星法,测得恒星的角直径,从而求出体积。

恒星的质量,可以用开普勒第三定律,或恒星光度与质量之间的关系,进行测量计算。

恒星的两个重要的特征,就是温度和绝对星等。大约100年前,丹麦的艾基纳和美国的诺里斯,各自绘制了查找温度和亮度之间是否有关系的图,这张关系图被称为赫-罗图,或者H-R图。在H-R图中,大部分恒星,构成了一个在天文学上,称做主星序的对角线区域。在主星序中,恒星的绝对星等增加时,其表面温度也随之增加。90%以上的恒星,都属于主星序,太阳也是这些主星序中的一颗。

巨星和超巨星,处在H-R图的右侧较高较远的位置上。白矮星的表面温度虽然高,但亮度不大,所以它们只处在该图的中下方。

7.恒星演变的动力-暗能量

我们知道,恒星的形成以及运动,都需要由外力来推动,那么这个外力究竟是什么呢?这个外力,就是暗能量。暗能量,总是以一种旋涡运动的形式出现,所以,在它的周围,会产生一种旋涡场。

当旋涡场中的宇宙尘埃很多时,旋涡场因旋转负荷太重而收缩,导致宇宙尘埃向旋涡中心靠近,并沉积在该中心处。在经历很长时间之后,沉积物积聚到一定的程度,而形成恒星。如果没有旋涡场和暗能量,那么,宇宙尘埃就如一盘散沙,它们就根本无法聚集在一起,就不会产生恒星。同样道理,恒星的自转和绕星系中心的运动,也需要由暗能量来推动。

既然恒星的形成以及运动,是由暗能量来决定的,那么,当暗能量出现衰退时,恒星的内部结构,就会发生变化。自宇宙形成以来,暗能量每10亿年以5.3%的比例,持续地衰减。到目前为止,宇宙中的暗能量,已经减少了约50%。暗能量的衰退,必然会导致恒星的衰老。所以,恒星演变的动力,是暗能量以及它的衰退。

暗能量不仅对整个宇宙有影响,而且似乎也能操控宇宙的居民,指引恒星、星系和星系团的演化进程。虽然以前我们并没有意识到,暗能量对这些结构的影响,但天文学家们几十年来,一直在研究它们的演化过程。

要提及暗能量,我们不得不先提及另外一个和它密切相关的概念-暗物质,之所以将其称为暗物质,而不是物质,就是因为它与一般的普通物质,有着根本性的区别。普通物质,就是那些在一般情况下,能用眼睛或借助工具看得见、摸得着的东西,小到原子、大到宇宙星体,近到身边的各种物体,远到宇宙深处的各种星系。

普通物质,总是能与光或者部分波发生相互作用,或者在一定的条件下,自身就能发光或者折射光线,从而被人们可以感知、看见、摸到或者借助仪器可以测量得到,但是暗物质恰恰相反,它根本不与光发生作用,更不会发光,因为不发光,又与光不发生任何作用,所以不会反射、折散或散射光,即对各种波和光,它们都是百分之百的透明体!所以在天文上,用光的手段绝对看不到暗物质,不管是电磁波、无线电,还是红外射线、伽玛射线、X射线,这些统统都毫无用处,故其不被人们的感知所感觉,也不被目前的仪器所观测。因此,为了区分普通物质和这种特殊的物质,将这种特殊的物质,称之为“暗物质”。

“暗能量”,相比较暗物质,更是奇特得有过之而无不及,因为它只有物质的作用效应,而不具备物质的基本特征,所以称不上物质,故而将其称之为“暗能量”,暗能量是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量,宇宙中所有的恒星和行星的运动,皆是由暗能量来推动的。暗能量之所以具有如此大的力量,是因为它在宇宙的结构中约占73%,占绝对统治地位。暗能量的发现,是近年宇宙学研究中的一个里程碑性的重大成果。

8.质量恒星和恒星黑洞

大质量恒星,通常是指比太阳质量大8倍的恒星。这类恒星,在星系演化过程中,扮演着重要的角色,因为它们最终能产生重元素,也为星际介质提供能量。

所谓恒星黑洞是一种大质量恒星(大约20倍太阳质量)引力坍塌后所形成的黑洞,目前已知质量最大的恒星黑洞是15.65±1.45倍太阳质量。另外,也有证据证明宇宙中的确有一个拥有24~33倍太阳质量的恒星黑洞。

第四节白矮星

1.白矮星概述

白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。比如天狼星伴星(它是最早被发现的白矮星),体积比地球大不了多少,但质量却和太阳差不多!也就是说,它的密度在1000万吨/立方米左右。

根据白矮星的半径和质量,可以算出它的表面重力,等于地球表面的1000万~10亿倍。在这样高的压力下,任何物体都已不复存在,连原子都被压碎了:电子脱离了原子轨道,变为自由电子。

白矮星,是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论,白矮星是在红巨星的中心形成的。当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力而强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过1亿度,于是氦开始聚变成碳。经过几百万年,氦核燃烧殆尽,现在恒星的结构组成,已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混和物;而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。

核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其他元素。

与此同时,红巨星外部,开始发生不稳定的脉动震荡:恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星,变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心,实际上密度已经增大到每立方厘米10吨左右,我们可以说,此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。人们知道,原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为1亿分之一厘米,而氢原子核的半径只有10万亿分之一厘米。假如核的大小像一颗玻璃球,则电子轨道将在2000米以外。

而在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。

这种自由电子气体,将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中。

一般把物质的这种状态,叫做“简并态”。简并电子气体压力,与白矮星强大的重力平衡,维持着白矮星的稳定。顺便提一下,当白矮星质量进一步增大,简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:中子星或黑洞。

白矮星是恒星演化末期产生的天体。这些恒星不能维持核聚变反应,所以在经过氦闪进化到红巨星阶段之后,他们会将外壳抛出形成行星状星云,而留下一个核聚变产生的高密度核心,即白矮星。由于缺乏能量的来源,白矮星会逐步释放热能,而发光而冷却。其核心靠电子的斥力对抗重力,其密度可达每立方厘米10吨。电子斥力不足以支持超过1.4倍太阳质量的白矮星,外壳的重力会进一步使恒星坍缩成中子星或者黑洞。这个过程中,经常伴随着超新星爆发。释放能量会造成恒星逐步冷却,表面温度逐渐降低,恒星的颜色也会随之变化。

经过数千亿年之后,白矮星会冷却到无法发光,成为黑矮星。但是目前普遍认为宇宙的年龄(150亿年),不足以使任何白矮星演化到这一阶段。

白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期,恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段,而停止产生能量(产生比铁还重的元素不能产生能量,而需要吸收能量)。恒星外壳的重力会压缩恒星,产生一个高密度的天体。一个典型的稳定独立白矮星,具有大约半个太阳质量,比地球略大。