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恒星的诞生与死亡

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发表于 2016-1-10 01:45:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
恒星的诞生与衰亡过程是怎样的,我们正处于太阳系的什么阶段?
在地球之外600公里,飞行着一只智慧的机械“眼睛”――哈勃太空望远镜,它把目光投向了无垠的宇宙深处。跟随着它的视线,我们将进行一次穿越时间与空间的探索之旅。

  想象一下,如果我们离开地球去做一次星际旅行,冲出大气层,先来到月亮,之后是火星、太阳、半人马座、银河系。如果把天体分成若干层次,离我们最近的是太阳系内的行星系统,包括像地球、土星、木星这样的大行星,及小行星、慧星等天体;下一个层次的天体是恒星,恒星跟太阳一样,因为其内部质量很大,中央的温度和压力都特别高,而会发生氢聚变反应。在恒星的中央不断地发生着氢弹爆炸似的过程,不断有巨大的能量从中央产生,并通过表面辐射出去;比恒星更大的一个层次的天体叫星系,往往由上千亿颗恒星组成,像银河系;以星系为端源,可以构成更大的尺度,叫作星系群,或更大的星系团;再往上就是由大尺度结构推出去的整个宇宙。


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  自1990年至今,科学家利用哈勃望远镜在行星、恒星、星系以及宇宙学等方面有了很多重要的发现。跟着哈勃看宇宙,就从身边的太阳系开始吧。
  在无边际的宇宙中,地球的近亲就是那些同在太阳系中的天体。大约45亿年前,巨大的气体和尘埃逐渐形成了太阳系。
  不可思议的是,正是附近恒星的热核爆炸,触发了太阳系的诞生。也许是爆炸的破坏力量打乱了原始气体云的平衡,引起了一些物质向内塌陷、朝中心聚集,产生了新的恒星――太阳。而极少部分塌陷物质自多个方向,汇集而成了行星,换句话说,我们的地球只不过是太阳出生后的剩余产物罢了。

  行星生于恒星周围的尘埃盘,像地球这样的行星形成于离太阳较近的地方,而那些气巨星则形成于离太阳较远的地方。而后,当猛烈的原子风从太阳与附近炽热的恒星或邻近的超新星刮来时,只有块头足够大的行星可以保留裹住自身的气体,而行星之间的缕缕稀薄的气体云则被吹散了。
  所以,太阳系的行星,要么是石作的骨肉,要么是气体巨人。


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  尽管已有多年的研究,但太阳系仍充满着许多待解的谜团。即使现在,我们也无法准确估算太阳系的物质总量,甚至连太阳系内有多少颗行星也不能确定。
  几个世纪以来,寻找大行星的研究从未停止过,20世纪30年代人们发现了冥王星,20世纪70年代发现了它的卫星“卡戎”。之后,天文学家一直试图寻找比冥王星更远的地方是否还有大行星。2003年,哈勃望远镜发现了一个快速划过遥远星空的东西,它是太阳系中的天体,从其体积推测是颗行星,人们以北极因纽特人女神的名字一塞德娜命名这颗行星。(图1)
  “塞德娜”直径约1500公里,相当于冥王星的四分之三。由于它太遥远了,乃至在哈勃望远镜看来,也仅是一小团模糊的像素。


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  “塞德娜”距太阳150亿公里,是地球与太阳距离的100倍,由于离太阳太远,那里只有寒冷的冬天。发现“塞德娜”还不是寻找冥外行星最精彩的部分,2005年哈勃望远镜还发现了一颗叫阋神星的行星,其准确直径为2385公里,略大于冥王星2275公里。因此冥王星被挤出了九大行星。另外,在太阳系内还有许多神秘的星际流浪汉,它们吸引了更多研究人员的目光,因为它们的破坏力不知哪一天会直达地球,它们就是小行星和彗星。行星形成后的残余,变成了小行星和大小各异的彗星,它们幽灵一样地神出鬼没,有时它们的轨道会指引它们走向毁灭。(图2)
  1992年夏天,当一颗彗星飞过木星时,被木星的引力撕成了碎片。两年后,这些碎片又飞了回来,并坠入了木星大气层。哈勃太空望远镜目击了舒梅克利维9号彗星的整个死亡之旅。
  哈勃望远镜跟踪彗星碎片直到它们的最后一刻,并发回了让人恐惧的木星创伤照片,上面每块黑色的伤疤都能轻而易举地装下地球。


  这表明行星系统在形成和演化过程中,要经历无数次的碰撞事件,20世纪90年代发生的彗星撞木星的事件就是代表。这种事件如果发生在地球上,将是巨大的灾难。
  为了防备彗星撞击地球,现在有不少装备精密仪器的空间探测器被送到太空,以研究太阳系内的行星。它们提供了那些行星的特写照片,时刻观察着地球周围的天体。(图3)
  哈勃望远镜打开了一扇面向太阳系的风光旖旎的窗口,让我们看到了前所未见的景观:邻居行星上的大风暴、季节的变幻、各种大气层变化,比如极光。
  在哈勃太空望远镜眼里,这些鲜为人知的太阳系风景,告诉我们太阳系内还有很多待解的谜团。


  有一天人类会移居到另一个星球上吗?难道只有地球上存在生命吗?宇宙中有与人类相似的生物吗?

  现在发现,除地球之外,太阳系内的行星上都不宜居住人类。科学家利用哈勃望远镜将视线投向其他恒星,去寻找其行星系统中的适宜环境和外星生命。
  于是,人们投入大量精力,希望能够寻找到太阳系外像地球这样的行星。2001年,哈勃望远镜第一次直接探测到了一颗太阳系外行星的大气层,并部分确定了它的组成成分,探测其大气层的化学构成将指引我们寻找外星的生命迹象。(图4)



  一切生命都需要呼吸,哈勃望远镜恰恰具备了探测这颗行星大气层化学成分的能力。天文学家相信存在着许多与地球相似的行星,它们围绕着银河系中的其他恒星旋转。恒星的出生、成长、死亡和重生,是无休止的循环;恒星生于气体和尘埃中,在数百万、数十亿年中发光发热;死亡后又变回气体和尘埃,去孕育另一颗新的恒星。因此,广袤的宇宙才会生生不息。
  这个循环过程中的副产品包括了行星及可能产生生命的一些化学元素。即便某些行星拥有产生生命的化学元素,但要有生命的存在,还需具备适宜的温度、液态水和大气层。而这些条件又取决于行星与恒星的距离和恒星质量的大小。
  哈勃望远镜近几年还创造了多个寻找太阳系外行星的第一:第一次获得恒星HD209458周围行星的大气成分;第一次发现太阳系外行星上的二氧化碳;第一次发现太阳系外行星大气中的有机分子。这些都是令人浮想联翩的发现。


  过去就认为太阳系应该不是银河系中唯一的,但受到地面光学望远镜的限制,即便离我们最近的一个恒星的周围是否有行星也无法看到。20世纪90年代,居然用一种先进的物理手段发现了另外一个恒星也有行星。十几年来,已发现太阳系周围有超过400个恒星有自己的行星和跟行星系。哈勃空间望远镜不仅验证了有太阳系之外的行星系统,而且还看到它们都是类似于太阳系这样的盘状,表明太阳系这样的形态在宇宙中是普遍的。这为寻找类似于地球这样可以适合生命诞生的天体,打开了开阔的视野。
  不过,所有的行星都受其母星一恒星所影响,所以研究恒星才能从根本上解决行星的各种问题。这也是为什么人们不停地研究太阳的原因。


  太阳是地球的生命之源,也是一颗普通的恒星,其形态就像分布在银河系


中的其余数十亿颗恒星一样。恒星是炙热的气体球,它由塌缩的气体云形成,一生都在稳定地释放能量。(图5)
  这个气体球表面温度高达三千度至两万度,内部核心温度有上千万度。同时,由于恒星上部的物质压力,使其内部压力非常大,由此产生了核聚变,4个氢变成1个氦,太阳就是由氢变氦放射出能量提供给人类光和热的。


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  实际上,所有的恒星都是通过一系列像太阳内部一样的核聚变将轻元素转换成重元素的核工厂,它们会持续地发光发热,直到“燃料”耗尽。恒星的一生是静悄悄地开始,波澜不惊地成长,轰轰烈烈地结束。
  科学家一直想弄明白恒星从出生到死亡的全过程,但这个过程要经历数百万年甚至数十亿年,比人的生命长得多。这也是为什么我们根本不可能去研究单个恒星的老化过程。那我们该如何去研究这个问题呢?


  如果研究地球某种生物的生命周期,也没有必要去追寻一个独立生命体的完整轨迹,而可以一次性观察众多生命体,它们就能够展示那种生物生命周期的不同阶段。
  同样,为了了解恒星,我们可以将处于不同阶段的恒星进行抽样分析,从出生到死亡,再将其结果拼接起来。哈勃望远镜拍摄的生动照片,展现了恒星出生时的混乱环境,相邻的柱体是恒星的育婴室,它相当于一台时间机器重演着太阳系的产生过程。(图6)(图7)


  创造柱是摇篮中的恒星的守护者,新生的恒星发出温暖的光取悦着它们。哈勃望远镜以前所未有的方式展现了恒星婴儿的样子。
  哈勃望远镜最令人兴奋的发现之一,是观测到了在猎户座星云深处包含着新生恒星的尘埃盘。这个尘埃盘上正上演着最终会有行星形成的、类似太阳系的创造过程。太阳系45亿年前就是这样出生的。


  探索生命的规律要经历从出生到死亡的过程,看过了恒星壮美的出生,我们再往下看。其实恒星和恒星是不一样的,它们以质量的大小分为几类,不同类别的恒星,其走向死亡的过程不同,最终的结局也截然不同。
  通常情况下,许多恒星都是由同一朵气体尘埃云孕育出来的,有些恒星会一辈子呆在一起,就像一起长大的儿时好友。星团中所有的恒星都是同岁的,但它们的质量却各不相同,这意味着它们有不同的未来。


  直接观测到恒星不同阶段的演化真是意外的幸运,在过去20年中,哈勃望远镜观察到了一些恒星的成熟和衰老,拍摄到了令人吃惊的恒星图像。
  从这些恒星图像上看,似乎质量越大的恒星,其结局越悲壮。
  比太阳大5至7倍的恒星,叫作中等质量恒星;更大质量的恒星叫作大质量恒星,然而它的寿命可能非常短,比如像20个太阳质量的恒星,其寿命大概是100万年;而太阳的寿命是100亿年。大质量恒星因为质量很大,在生命演化结束时会通过超新星爆发的形式结束生命。


  大质量的恒星在大爆炸中自我毁灭,变成超新星。

  大爆炸后,超新星爆发会成为宇宙中最明亮的天体。在长达几个月的强烈能量释放中,它的光芒胜过同一星系里的其他恒星。(图8)
  这个场面绝对惊心动魄、惨烈恐怖;然而我们在离它很远很远的地方看,都是一场美丽的绽放。
  公元1054年,发生了一次超新星大爆发,中国古代天文学家发现并详尽地记述了它的过程。


  自从1990年发射升空,哈勃望远镜一直关注着一朵蟹状星云的戏剧性变化,它是近代最亮的一次超新星爆炸后的遗迹,即是由中国宋代天文学家记述的那颗超新星爆炸后的遗迹。(图9)
  哈勃望远镜一直在监测包围爆炸中心的环状云气,其环上的亮斑,就像是镶嵌在项链上的宝石。这些宇宙“珍珠”,其实是爆炸时产生的超音速冲击波点燃的气体。超新星爆炸的遗迹隐藏着强大的动力。之后,哈勃望远镜还探测到这朵蟹状星云的中心,还处在运动中。在星云中心的最深处住着一颗特殊的星:脉冲星,它像一座宇宙灯塔,有规律地旋转着,扫射出一束束光和能量,并将动力提供给由它周围的尘埃和气体组成的巨大星云。(图10)


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  美丽的星云与神秘的脉冲星,都来自于公元1054年那次超新星爆发。通过对恒星的抽样研究得知,这应该是一颗较大质量恒星死亡时所造成的。
  大质量恒星的死亡是以超新星爆炸的方式结束,但不是所有的恒星都以这种激烈的方式终结。像太阳这样的小质量恒星,它们的死亡过程是截然不同的,但其最后结局也会变成不同的天体。
  一般来说,25个太阳质量以上的恒星,它塌缩后往往会直接形成黑洞;而较小质量的恒星,它形成的中央天体往往会演化成中子星或者也变成黑洞;而7个太阳质量以下的中小质量的恒星,往往通过行星状星云的过程形成白矮星。


  与太阳类似的恒星,一旦用尽氢元素会冷却下来,由外向中心塌缩,燃烧重元素,向外抛射其外壳,慢慢向太空扩散。这个阶段的恒星被称为“红巨星”。
  现在,太阳已是中年,再往后就要进入晚年至老年期,氢越来越少,氦越来越多。再过40多亿年,当更多的氢变成氦时,其结构将逐渐失去平衡,内部的力量拉不住外边,外边就要散掉、扩张。所以,太阳再过45亿年后,将逐渐地扩大,以我们想象不到的稀薄的热气,首先把水星吞没,再把金星吞没,然后就轮到地球了。


  红巨星继续膨胀,吞没太阳系内的其他行星。但这些恒星不甘于退出舞台,还会变成其他不同寻常的东西,在生命的最后时刻,它们还会最后一次发出绚烂的光辉。
  红巨星在核聚变最后阶段,会吹出恒星风,使自身体积膨胀得空前巨大。在恒星的爆炸中心,喷涌出的强大紫外线照亮了它之前抛射出的气体外壳。在早期的天文学家看来,这些奇特的天体有点像新发现的天王星,所以叫作“行星状星云”。
  哈勃望远镜向我们展现了这些蝴蝶般的行星状星云,真是千姿百态,姹紫嫣红。那些炫目的照片让人惊叹:这些神奇复杂的发光体,有的像美丽的火焰轮,有的像漩涡气流,有的像雅致的高脚杯,有的甚至像火箭推进器。(图11)


  因为高居于大气层之上,哈勃望远镜可以把那些濒临死亡的恒星外层的全部细节看得清清楚楚。对比哈勃望远镜于1994年和2002年拍摄的照片,最难解的迷题之一就是,一团像太阳般的球状气体,何以衍生出行星状星云这样复杂的结构?一些行星状星云就像宇宙花园里的浇灌装置,向相反方向喷射着气体。也许,这些奇特的发光体是由一颗伴星的磁场雕琢而成的。磁场的漏斗作用使发散的气体形成喷流。然而,这些宇宙之花只能在太空中绽放1万年,就像真的花朵一样,它们死后也会变成肥料,去滋润周围的天空。恒星产生的化学元素,在其死后会被行星状星云疏散,以滋养周围的空间,为下一代恒星、行星,甚至给生命的出现提供原料。


  行星状星云在宇宙漫长的岁月中转瞬即逝。在银河系中每时每刻出现的行星状星云总数不超过15000个。一颗死亡恒星的永恒遗物是最后留下的小小核心,只有地球般大小,但密度极大,这样的天体被称为白矮星。这就是天文学家根据现有知识,描述的太阳最后命运的情况。
  这些年,哈勃空间望远镜提供了很多实例,告诉我们恒星是怎样从云雾中诞生,又如何逐渐变成一个发光发热的天体,然后又怎样变成老年;我们还从天空中找到了正在膨胀着的红巨星,看到了正在爆炸的超新星;通过宇宙中不同年龄段恒星的这些景象,勾画出了一个清晰的恒星演化图像。哈勃空间望远镜20年来的成就,让我们大大丰富了对恒星从诞生到死亡全过程的了解。


  在今天的旅程中,我们跟随着20年来哈勃望远镜拍摄到的宇宙影像,看到了行星的撞击、恒星从生到死的过程。不过,恒星和它的行星系统只是宇宙的细胞,而更高层次的天体――星系,才是构成宇宙的基石。
  这些天体离我们非常遥远,但令人难以相信的是,在更大尺度的宇宙空间里发生的神秘事件的确可以影响到我们,也许此刻,这种影响便发生了。


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