星星的生與死

　　在地球之外600公里，飛行著一隻智慧的機械「眼睛」——哈勃太空望遠鏡，它把目光投向了無垠的宇宙深處。跟隨著它的視線，我們將進行一次穿越時間與空間的探索之旅。　　想像一下，如果我們離開地球去做一次星際旅行，衝出大氣層，先來到月亮，之後是火星、太陽、半人馬座、銀河系。如果把天體分成若干層次，離我們最近的是太陽系內的行星系統，包括像地球、土星、木星這樣的大行星，及小行星、慧星等天體；下一個層次的天體是恆星，恆星跟太陽一樣，因為其內部質量很大，中央的溫度和壓力都特別高，而會發生氫聚變反應。在恆星的中央不斷地發生著氫彈爆炸似的過程，不斷有巨大的能量從中央產生，並通過表面輻射出去；比恆星更大的一個層次的天體叫星系，往往由上千億顆恆星組成，像銀河系；以星係為端源，可以構成更大的尺度，叫作星系群，或更大的星系團；再往上就是由大尺度結構推出去的整個宇宙。　　自1990年至今，科學家利用哈勃望遠鏡在行星、恆星、星系以及宇宙學等方面有了很多重要的發現。跟著哈勃看宇宙，就從身邊的太陽系開始吧。　　在無邊際的宇宙中，地球的近親就是那些同在太陽系中的天體。大約45億年前，巨大的氣體和塵埃逐漸形成了太陽系。　　不可思議的是，正是附近恆星的熱核爆炸，觸發了太陽系的誕生。也許是爆炸的破壞力量打亂了原始氣體雲的平衡，引起了一些物質向內塌陷、朝中心聚集，產生了新的恆星——太陽。而極少部分塌陷物質自多個方向，彙集而成了行星，換句話說，我們的地球只不過是太陽出生後的剩餘產物罷了。　　行星生於恆星周圍的塵埃盤，像地球這樣的行星形成於離太陽較近的地方，而那些氣巨星則形成於離太陽較遠的地方。而後，當猛烈的原子風從太陽與附近熾熱的恆星或鄰近的超新星刮來時，只有塊頭足夠大的行星可以保留裹住自身的氣體，而行星之間的縷縷稀薄的氣體雲則被吹散了。　　所以，太陽系的行星，要麼是石作的骨肉，要麼是氣體巨人。　　儘管已有多年的研究，但太陽系仍充滿著許多待解的謎團。即使現在，我們也無法準確估算太陽系的物質總量，甚至連太陽系內有多少顆行星也不能確定。　　幾個世紀以來，尋找大行星的研究從未停止過，20世紀30年代人們發現了冥王星，20世紀70年代發現了它的衛星「卡戎」。之後，天文學家一直試圖尋找比冥王星更遠的地方是否還有大行星。2003年，哈勃望遠鏡發現了一個快速划過遙遠星空的東西，它是太陽系中的天體，從其體積推測是顆行星，人們以北極因紐特人女神的名字一塞德娜命名這顆行星。(圖1)　　「塞德娜」直徑約1500公里，相當於冥王星的四分之三。由於它太遙遠了，乃至在哈勃望遠鏡看來，也僅是一小團模糊的像素。　　「塞德娜」距太陽150億公里，是地球與太陽距離的100倍，由於離太陽太遠，那裡只有寒冷的冬天。發現「塞德娜」還不是尋找冥外行星最精彩的部分，2005年哈勃望遠鏡還發現了一顆叫鬩神星的行星，其準確直徑為2385公里，略大於冥王星2275公里。因此冥王星被擠出了九大行星。另外，在太陽系內還有許多神秘的星際流浪漢，它們吸引了更多研究人員的目光，因為它們的破壞力不知哪一天會直達地球，它們就是小行星和彗星。行星形成後的殘餘，變成了小行星和大小各異的彗星，它們幽靈一樣地神出鬼沒，有時它們的軌道會指引它們走向毀滅。(圖2)

　　1992年夏天，當一顆彗星飛過木星時，被木星的引力撕成了碎片。兩年後，這些碎片又飛了回來，並墜入了木星大氣層。哈勃太空望遠鏡目擊了舒梅克利維9號彗星的整個死亡之旅。　　哈勃望遠鏡跟蹤彗星碎片直到它們的最後一刻，並發回了讓人恐懼的木星創傷照片，上面每塊黑色的傷疤都能輕而易舉地裝下地球。　　這表明行星系統在形成和演化過程中，要經歷無數次的碰撞事件，20世紀90年代發生的彗星撞木星的事件就是代表。這種事件如果發生在地球上，將是巨大的災難。　　為了防備彗星撞擊地球，現在有不少裝備精密儀器的空間探測器被送到太空，以研究太陽系內的行星。它們提供了那些行星的特寫照片，時刻觀察著地球周圍的天體。(圖3)　　哈勃望遠鏡打開了一扇面向太陽系的風光旖旎的窗口，讓我們看到了前所未見的景觀：鄰居行星上的大風暴、季節的變幻、各種大氣層變化，比如極光。　　在哈勃太空望遠鏡眼裡，這些鮮為人知的太陽系風景，告訴我們太陽系內還有很多待解的謎團。　　有一天人類會移居到另一個星球上嗎?難道只有地球上存在生命嗎?宇宙中有與人類相似的生物嗎?　　現在發現，除地球之外，太陽系內的行星上都不宜居住人類。科學家利用哈勃望遠鏡將視線投向其他恆星，去尋找其行星系統中的適宜環境和外星生命。　　於是，人們投入大量精力，希望能夠尋找到太陽系外像地球這樣的行星。2001年，哈勃望遠鏡第一次直接探測到了一顆太陽系外行星的大氣層，並部分確定了它的組成成分，探測其大氣層的化學構成將指引我們尋找外星的生命跡象。(圖4)　　一切生命都需要呼吸，哈勃望遠鏡恰恰具備了探測這顆行星大氣層化學成分的能力。天文學家相信存在著許多與地球相似的行星，它們圍繞著銀河系中的其他恆星旋轉。恆星的出生、成長、死亡和重生，是無休止的循環；恆星生於氣體和塵埃中，在數百萬、數十億年中發光發熱；死亡後又變回氣體和塵埃，去孕育另一顆新的恆星。因此，廣袤的宇宙才會生生不息。　　這個循環過程中的副產品包括了行星及可能產生生命的一些化學元素。即便某些行星擁有產生生命的化學元素，但要有生命的存在，還需具備適宜的溫度、液態水和大氣層。而這些條件又取決於行星與恆星的距離和恆星質量的大小。　　哈勃望遠鏡近幾年還創造了多個尋找太陽系外行星的第一：第一次獲得恆星HD209458周圍行星的大氣成分；第一次發現太陽系外行星上的二氧化碳；第一次發現太陽系外行星大氣中的有機分子。這些都是令人浮想聯翩的發現。　　過去就認為太陽系應該不是銀河系中唯一的，但受到地面光學望遠鏡的限制，即便離我們最近的一個恆星的周圍是否有行星也無法看到。20世紀90年代，居然用一種先進的物理手段發現了另外一個恆星也有行星。十幾年來，已發現太陽系周圍有超過400個恆星有自己的行星和跟行星系。哈勃空間望遠鏡不僅驗證了有太陽系之外的行星系統，而且還看到它們都是類似於太陽系這樣的盤狀，表明太陽系這樣的形態在宇宙中是普遍的。這為尋找類似於地球這樣可以適合生命誕生的天體，打開了開闊的視野。　　不過，所有的行星都受其母星一恆星所影響，所以研究恆星才能從根本上解決行星的各種問題。這也是為什麼人們不停地研究太陽的原因。　　太陽是地球的生命之源，也是一顆普通的恆星，其形態就像分布在銀河系中的其餘數十億顆恆星一樣。恆星是炙熱的氣體球，它由塌縮的氣體雲形成，一生都在穩定地釋放能量。(圖5)

　　這個氣體球表面溫度高達三千度至兩萬度，內部核心溫度有上千萬度。同時，由於恆星上部的物質壓力，使其內部壓力非常大，由此產生了核聚變，4個氫變成1個氦，太陽就是由氫變氦放射出能量提供給人類光和熱的。　　實際上，所有的恆星都是通過一系列像太陽內部一樣的核聚變將輕元素轉換成重元素的核工廠，它們會持續地發光發熱，直到「燃料」耗盡。恆星的一生是靜悄悄地開始，波瀾不驚地成長，轟轟烈烈地結束。　　科學家一直想弄明白恆星從出生到死亡的全過程，但這個過程要經曆數百萬年甚至數十億年，比人的生命長得多。這也是為什麼我們根本不可能去研究單個恆星的老化過程。那我們該如何去研究這個問題呢?　　如果研究地球某種生物的生命周期，也沒有必要去追尋一個獨立生命體的完整軌跡，而可以一次性觀察眾多生命體，它們就能夠展示那種生物生命周期的不同階段。　　同樣，為了了解恆星，我們可以將處於不同階段的恆星進行抽樣分析，從出生到死亡，再將其結果拼接起來。哈勃望遠鏡拍攝的生動照片，展現了恆星出生時的混亂環境，相鄰的柱體是恆星的育嬰室，它相當於一台時間機器重演著太陽系的產生過程。(圖6)(圖7)

　　創造柱是搖籃中的恆星的守護者，新生的恆星發出溫暖的光取悅著它們。哈勃望遠鏡以前所未有的方式展現了恆星嬰兒的樣子。　　哈勃望遠鏡最令人興奮的發現之一，是觀測到了在獵戶座星雲深處包含著新生恆星的塵埃盤。這個塵埃盤上正上演著最終會有行星形成的、類似太陽系的創造過程。太陽系45億年前就是這樣出生的。　　探索生命的規律要經歷從出生到死亡的過程，看過了恆星壯美的出生，我們再往下看。其實恆星和恆星是不一樣的，它們以質量的大小分為幾類，不同類別的恆星，其走向死亡的過程不同，最終的結局也截然不同。　　通常情況下，許多恆星都是由同一朵氣體塵埃雲孕育出來的，有些恆星會一輩子呆在一起，就像一起長大的兒時好友。星團中所有的恆星都是同歲的，但它們的質量卻各不相同，這意味著它們有不同的未來。　　直接觀測到恆星不同階段的演化真是意外的幸運，在過去20年中，哈勃望遠鏡觀察到了一些恆星的成熟和衰老，拍攝到了令人吃驚的恆星圖像。　　從這些恆星圖像上看，似乎質量越大的恆星，其結局越悲壯。　　比太陽大5至7倍的恆星，叫作中等質量恆星；更大質量的恆星叫作大質量恆星，然而它的壽命可能非常短，比如像20個太陽質量的恆星，其壽命大概是100萬年；而太陽的壽命是100億年。大質量恆星因為質量很大，在生命演化結束時會通過超新星爆發的形式結束生命。　　大質量的恆星在大爆炸中自我毀滅，變成超新星。　　大爆炸後，超新星爆發會成為宇宙中最明亮的天體。在長達幾個月的強烈能量釋放中，它的光芒勝過同一星系裡的其他恆星。(圖8)　　這個場面絕對驚心動魄、慘烈恐怖；然而我們在離它很遠很遠的地方看，都是一場美麗的綻放。　　公元1054年，發生了一次超新星大爆發，中國古代天文學家發現並詳盡地記述了它的過程。　　自從1990年發射升空，哈勃望遠鏡一直關注著一朵蟹狀星雲的戲劇性變化，它是近代最亮的一次超新星爆炸後的遺迹，即是由中國宋代天文學家記述的那顆超新星爆炸後的遺迹。(圖9)　　哈勃望遠鏡一直在監測包圍爆炸中心的環狀雲氣，其環上的亮斑，就像是鑲嵌在項鏈上的寶石。這些宇宙「珍珠」，其實是爆炸時產生的超音速衝擊波點燃的氣體。超新星爆炸的遺迹隱藏著強大的動力。之後，哈勃望遠鏡還探測到這朵蟹狀星雲的中心，還處在運動中。在星雲中心的最深處住著一顆特殊的星：脈衝星，它像一座宇宙燈塔，有規律地旋轉著，掃射出一束束光和能量，並將動力提供給由它周圍的塵埃和氣體組成的巨大星雲。(圖10)

　　美麗的星雲與神秘的脈衝星，都來自於公元1054年那次超新星爆發。通過對恆星的抽樣研究得知，這應該是一顆較大質量恆星死亡時所造成的。　　大質量恆星的死亡是以超新星爆炸的方式結束，但不是所有的恆星都以這種激烈的方式終結。像太陽這樣的小質量恆星，它們的死亡過程是截然不同的，但其最後結局也會變成不同的天體。　　一般來說，25個太陽質量以上的恆星，它塌縮後往往會直接形成黑洞；而較小質量的恆星，它形成的中央天體往往會演化成中子星或者也變成黑洞；而7個太陽質量以下的中小質量的恆星，往往通過行星狀星雲的過程形成白矮星。　　與太陽類似的恆星，一旦用盡氫元素會冷卻下來，由外向中心塌縮，燃燒重元素，向外拋射其外殼，慢慢向太空擴散。這個階段的恆星被稱為「紅巨星」。　　現在，太陽已是中年，再往後就要進入晚年至老年期，氫越來越少，氦越來越多。再過40多億年，當更多的氫變成氦時，其結構將逐漸失去平衡，內部的力量拉不住外邊，外邊就要散掉、擴張。所以，太陽再過45億年後，將逐漸地擴大，以我們想像不到的稀薄的熱氣，首先把水星吞沒，再把金星吞沒，然後就輪到地球了。　　紅巨星繼續膨脹，吞沒太陽系內的其他行星。但這些恆星不甘於退出舞台，還會變成其他不同尋常的東西，在生命的最後時刻，它們還會最後一次發出絢爛的光輝。　　紅巨星在核聚變最後階段，會吹出恆星風，使自身體積膨脹得空前巨大。在恆星的爆炸中心，噴湧出的強大紫外線照亮了它之前拋射出的氣體外殼。在早期的天文學家看來，這些奇特的天體有點像新發現的天王星，所以叫作「行星狀星雲」。　　哈勃望遠鏡向我們展現了這些蝴蝶般的行星狀星雲，真是千姿百態，奼紫嫣紅。那些炫目的照片讓人驚嘆：這些神奇複雜的發光體，有的像美麗的火焰輪，有的像漩渦氣流，有的像雅緻的高腳杯，有的甚至像火箭推進器。(圖11)

　　因為高居於大氣層之上，哈勃望遠鏡可以把那些瀕臨死亡的恆星外層的全部細節看得清清楚楚。對比哈勃望遠鏡於1994年和2002年拍攝的照片，最難解的迷題之一就是，一團像太陽般的球狀氣體，何以衍生出行星狀星雲這樣複雜的結構?一些行星狀星雲就像宇宙花園裡的澆灌裝置，向相反方向噴射著氣體。也許，這些奇特的發光體是由一顆伴星的磁場雕琢而成的。磁場的漏斗作用使發散的氣體形成噴流。然而，這些宇宙之花只能在太空中綻放1萬年，就像真的花朵一樣，它們死後也會變成肥料，去滋潤周圍的天空。恆星產生的化學元素，在其死後會被行星狀星雲疏散，以滋養周圍的空間，為下一代恆星、行星，甚至給生命的出現提供原料。　　行星狀星雲在宇宙漫長的歲月中轉瞬即逝。在銀河系中每時每刻出現的行星狀星雲總數不超過15000個。一顆死亡恆星的永恆遺物是最後留下的小小核心，只有地球般大小，但密度極大，這樣的天體被稱為白矮星。這就是天文學家根據現有知識，描述的太陽最後命運的情況。　　這些年，哈勃空間望遠鏡提供了很多實例，告訴我們恆星是怎樣從雲霧中誕生，又如何逐漸變成一個發光發熱的天體，然後又怎樣變成老年；我們還從天空中找到了正在膨脹著的紅巨星，看到了正在爆炸的超新星；通過宇宙中不同年齡段恆星的這些景象，勾畫出了一個清晰的恆星演化圖像。哈勃空間望遠鏡20年來的成就，讓我們大大豐富了對恆星從誕生到死亡全過程的了解。　　在今天的旅程中，我們跟隨著20年來哈勃望遠鏡拍攝到的宇宙影像，看到了行星的撞擊、恆星從生到死的過程。不過，恆星和它的行星系統只是宇宙的細胞，而更高層次的天體——星系，才是構成宇宙的基石。　　這些天體離我們非常遙遠，但令人難以相信的是，在更大尺度的宇宙空間里發生的神秘事件的確可以影響到我們，也許此刻，這種影響便發生了。
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