宇宙也有無奈時

宇宙也有無奈時

作者：劉遠景 （原載「新浪博客」，題目是《宇宙的無奈》）

(2009-01-14 13:29:37)

我們讚美善良,可是,善良雖然每個時代都有,但是歷史上的善良的個體卻一個一個地消失；我們厭惡罪惡,可是罪惡的個體雖然不能長存,罪惡的個體卻每個時代都有，並且將會永遠存在下去。這是人類的無奈。

不僅人類存在無奈，所有生物界也是如此，不僅生物界是這樣，自然界也都是如此，整個宇宙也是如此。

用現代觀測工具可以看到,宇宙是由100多億個星系所組成的,構成這些星系的天體是恆星.我們可以說,恆星是構成宇宙的主要天體成分。當然，宇宙中還有零散的氣體、行星、小塵埃、衛星等。但是這物質的質量與恆星的質量相比，那是微不足道的。比如我們的銀河系的質量百分之九十多集中在恆星中，其他星系也差不多。

雖然恆星在整個宇宙中占物質總量的百分之九十多，但是在宇宙空間中卻整個宇宙體積的10^-31左右宇宙單位，也就是說無物的宇宙空間占絕大部分。這樣，才能滿足天體的高速運動。

恆星並不恆。恆星也同地球上的生物一樣，有一個出生、成長、興盛和衰老到消亡的過程。其步驟如下：

1，星球汽體團（由中心密度大的部分的引力形成）———2，原始星（如金牛星座T型，能量來自萬有引力）———3，主序星（能量來自熱核反應，H—He.我們的太陽就是一個主序星）——-4，紅巨星（拋撒物質到星際空間,體積膨脹）———5，白矮星和超新星爆發———6，成為三部分：a,部分成為星際塵埃；b,收縮為中子星；c,成為黑洞。

這個演化過程是不可逆的，不可重複的。這一點已經由現代物理學所證明。（引自李宗偉、肖興華的《天體物理學》）

（1），收縮階段

我們的太陽也是恆星，但是，我們無法回答關於我們的太陽是在何處形成的問題。這是由於我們的銀河系也像所有旋渦星系一樣，是旋轉的。銀河系自形成以來，可能已經圍繞星系群的中心旋轉了20多次，太陽自從形成以來，也同樣參加了這種旋轉之中。我們只能大致地指出太陽最近一次出現在這個位置上的時間，而且現在它還處在這個位置。這是在巨蕨類開始生長的時候，今天我們燒的煤炭就是由這些巨蕨植物埋在地下形成的，因此，大致在兩億年前。說得更白話一點，就是從古生代末期到現在，我們繞銀河只轉了一周。雖然銀河也在飛速地運動，但是銀河實在是太大了，轉一周需要很長的時間。比如牛郎星也是我們銀河系的一顆恆星，它也在飛速地運動，但看起來，幾千來總是在那個位置上。

與我們的太陽不同，宇宙中現有一大批年輕的藍恆星，它們大致仍然在形成時的位置上。因為我們只能在星系旋臂中的星團內部找到它們，也可以在那裡代到恆星形成的位置。值得注意的是，被發現的這些恆星總是伴有引人注目的星際氣體與塵埃的濃縮，我們必須把這些像雲一樣的氣體和塵埃看成是形成恆星的材料。每一立方米通常只包含很少的原子。我們把地球上能夠製造的最好的真空也仍然比星際雲密得多，儘管如此，由於宇宙的範圍大，它所包含的質量仍然比幾千個太陽還多。從理論上說，這種星際雲應該處於平衡狀態，當氣體壓力和星際磁場的壓力在這種雲內部阻止它本身的重力而壓縮時就是這種狀態。只要這種雲的密度超過某個臨界的極限值，這種平衡狀態就會遭到破壞。我們可以說，超過這種臨界值的瞬間也就是恆星開始形成的時刻。接著，就在宇宙中的某個空間出現這種情況：星際間的這種雲狀物質在平衡狀態時就像汽車遇到交通繁忙時的紅燈，一旦紅燈一停，綠燈一亮，立即向前沖，這種雲狀物質立即會以自由下落的方式向它的重力中心下落。由此，進入了恆星形成具有決定意義的所有其他過程。在這裡，重力提供了最初的推動。正是由於宇宙中這種最弱的力，對恆星的形成和恆星最後的滅亡都江堰市起著關鍵的作用。我們稱這種自由下落為「處女坍縮。」

這種向內墜落最初並沒有受到阻力，從原理上說，這是很簡單的，星際雲是可以被長波熱輻射穿透的，由坍縮物質所產生的壓縮熱因此就完全被放射出去了。

這種雲內部並沒有產生加熱過程,因此,也並沒有產生升壓過程。由收縮所引起的更加迅速增加的重力並沒有受到由內部壓力升高所產生的平衡力的阻抗。

我們不能從這樣一點出發就認為這種雲的密度最初到處都是一樣。在最初較密的局部範圍，中等密度在下墜過程中變得比在整個雲中都強，這樣，這種雲就變得成了碎片。在同樣的過程中，在較低層次上還多次重複，這些碎片又會變成更小的碎片。但更準確標定的一點上，這種分裂過程就停止了。只要某一碎片內的密度變得足夠大，以至於熱輻射不再能穿透這片雲，內部的氣體壓力就開始以比重力更快的速度增長。因此，再一次分裂就變得不可能了。天體物理學的模型演算得出結論說，以這種方式產生的最小的碎片是有質量的，這種質量介於最小的恆星質量與最大的恆星質量之間。

為何由引力處女坍縮的雲塊不會再一次發生破碎為更小的碎片呢？這是因為有角動量以及星際雲中內在的一般來說是較強的旋渦的緣故。由於這個緣故，碎片雲向這種雲的重心方向的塌縮轉變為巨大雲塊圍繞這個重心點作軌道運動。

經過幾百萬年或者上千萬年由墜落---旋轉形成的碎片星雲就形成了所謂的原恆星（protostar）。由於密度小，它的直徑是很大的，相當於幾十萬個太陽的半徑

。在成熟的恆星的深處，來自內部的氣壓在與其外部各層的重力保持平衡，相反，原始恆星卻不處於這種平衡狀態，它繼續塌縮。然而，原始恆星的形成顯示出引力塌縮的方式有明顯的改變，在形成小片時，每片雲塊內部的密度差別不大，但到了原始恆星階段，內部的塌縮比它的外部要快得多，也就是說，我們所說的內緊外松的局面。同樣，原始恆星的中心部位的溫度和氣壓的增加也比外錶快得多。中心部位的溫度和氣壓隨外部物質的自由下落繼續升高，在核心的表面上形成一個激蕩前沿，落下來的物質的動能在這裡變成了熱能，因此，溫度迅速上升，達到2000多開氏度時，氫分子分解成為原子。

現在，第一個核心的中心領域又開始塌縮了。因為分解奪去了氣體的熱，溫度的增長不再能與重力形成平衡。只有當達到極高的密度和二萬開氏度之後，第二次的塌縮才能停止，並形成第二個流體靜學平衡核心。當溫度升高到一萬度左右時，氫原子電離，電離氫增多，中性氫雲轉化為電離氫雲。H H天體就是這種半星半雲的天體。接下來就是金牛座T型星階段了。1947年1 月20日，用藍光拍到的獵戶座里的一個H H天體的照片和約八年後1954年12月20日用藍光拍到的同一天體的照片，兩者有明顯的區別：後一張照片上多了兩個凝聚物，它們就是恆星的胚胎，1957年又用紅光拍攝這兩個新出現的凝聚物，輪廓就更清楚了。

由此，我們知道，恆星的演化的第一個階段就是引力收縮階段。

由於排斥和吸引接近平衡，原始恆星就轉化為恆星，不過，在較長一段時間內，引力仍然佔優勢。但收縮得比較慢一些了。恆星的慢收縮階段比快收縮階段長得多。質量越小時間就越長。例如，質量等於太陽質量的15倍、1倍和0.2倍的恆星，慢收縮的時間大約分別為：6萬年、7千萬年和17億年。在快收縮階段，原始恆星物質是透明狀態的。外部的物質基本上不吸收內部物質所產生的輻射，因此，整個原始恆星是等溫的。內部溫度超過一萬度後，原始恆星已經轉化為正式的恆星，這時，物質現再透明了。內部的溫度和密度的分布越近中心就越高。在快收縮後期，輻射主要是在無線電波段和紅外波段；慢收縮開始時，輻射主要是紅光波段，恆星的表面溫度為二、三千度，後來才升高。在快收縮後期和慢收縮初期，能量從內部向外部轉移主要是對流。到了慢收縮後期，能量的轉移才主要以輻射為主。

恆星一旦形成，就自轉著並就有了磁場，在慢收縮時期，恆星內部又有了強烈的對流。對流、自轉、磁場三者結合在一起，常會使恆星外部出現強烈的變動。比如今天的太陽黑子活動，有些恆星因質量大，活動表現得比太陽還厲害得多。

在慢收縮階段，主要能源仍然是收縮釋放出的引力勢能，但在慢收縮後期，當內心溫度超過80萬度時，內部開始出現熱核反應，這些核反應成為這一階段除了引力收縮以外的另一種能源。

當內部溫度進一步升高到700萬度時，質子---質子反應和碳氮循環反應開動起來，恆星內部最豐富的原子---氫原子---的聚變這時就成為主要能源，並長時間保障恆星的能源供應。

我們可愛的太陽也是這樣誕生的！我們經常用太陽作為喻體，形容我們尊敬或者喜歡的事物，這主要是因為太陽給了我們能源，讓我們能夠生存的緣故。其實，太陽開始就是一團氫氣雲，一點也不偉大，它的外表一點也不慈眉善目。太陽也是一把雙刃劍,它給我們帶來好處,有時也給我們帶來災難。如果客觀地說，用太陽來比作偉大一點也不合適。從銀河結構上說，似乎地球在依附哪一個恆星的問題上，曾經的確經歷過一個艱難的選擇，如果不是銀河的擾動，也許應該歸屬比鄰星的。現在地球成了太陽的行星這也是一種造化，太陽總的說來還算不錯，由於質量不是太大，能量釋放比較慢，致使地球的溫度不太高，適合人類生存。

(2),主序階段

恆星以內部的氫核聚變成氦核作為主要能源的那個發展階段稱為主序階段。我們的太陽在這個主序階段已經運行了46億年了。恆星在主序階段是一個相對穩定的階段，排斥力和吸引力兩個方面相互抗衡，內部壓力大致頂住重力，恆星基本上不收縮也不膨脹。恆星停留在主序階段的時間以恆星的質量的大小不同而異。質量越大，光度就越大，能量消耗也就越快，停留在主序階段的時間就越短。我們以太陽為質量單位，質量等於太陽質量的15倍、5倍、1倍和0.2倍的五個恆星，它們在主序階段生存的時間分別是：1000萬年（15倍的）、7000萬年（5倍的）、100億年（1倍的）、10000億年（0.2倍的）。太陽現在的年齡是46億歲，所以，太陽在主序階段已經過去了一小半的時間，還要過五十多億年才會轉移到另一個演化階段。

德國天文學家史瓦西（Karl Schwarzschild 1873---1916年）曾把質量比作金錢，把質量小的恆星比作窮人，他們平時省吃儉用，細水長流日子過得長久，壽命也就長；把質量大的恆星比作大腕富翁，他們擁有大量的金錢，但揮金如土，花天酒地，大腹便便，很快就把錢花了，由於脂肪過多，壽命也短。恆星也是如此，小質量的恆星平時發光少，角動量小能量消耗也就少，因此，在主序階段上生存的時間就長，當然由於它們發光小，也不被我們人類重視。那些大質量的恆星平時發光量大，在宇宙中閃閃發光，引人注目，但是，能量消耗大，在主序階段的生存的時間也就短得多。在人間，不少人追求「不求天長地久，但求一朝擁有」的人，把大把的錢花當作人生的最高追求目標，到了錢盡壽終時自詡說：老子二十年後又是一條好漢。這些人此時算是賣回了面子，真有點阿Q精神。那些質量大的恆星如果有意志，在熄滅時也許會說：一千萬年後，老子又是一顆耀眼的明星！小質量的恆星，你們這些窮光蛋等著瞧。我們地球上的人算是命好，遇上了太陽這樣一個中等質量的恆星，它算是一個會過日子的恆星，才有現在我們的日子，如果地球跟上一個大質量的恆星，地球以及我們人類早已經成為宇宙的塵埃了。

對於恆星的質量也不能太小，如果小於太陽質量的百分之五，內部的溫度和密度由於不夠高，不能開啟氫核聚變，它們只能靠引力收縮作為能源來發光，收縮力小了，光也就小。這樣的恆星不經過主序階段而直接從紅矮星轉化為黑矮星，成為不發光的天體。也有的天體不成為恆星而成為行星的，比如太陽系木星。質量小的恆星以0.1個太陽質量為關節點。

主序階段的恆星穩定性是相對的。太陽是一個從整體上講是一個很穩定的恆星，它進入主序階段40多億年來，光度沒有什麼變化，如有變化地球上一定會反應出來的。但是太陽的局部區域在一定時期，也會出現一些變化，這就是太陽活動。這種活動釋放出來的能量比地球上出現的颱風和大火山爆發釋放的能量還要大得多。這種釋放雖然也會影響太陽的壽命，但由於發生的時間短，周期長，所以並不重要。

我們知道，宇宙中不只有恆星，還有像我們的地球一樣的行星，還有慧星、流星等天體，那麼區分恆星和行星及其他天體物質的標準是什麼呢？科學家給恆星下的定義是：本身能發光、發熱的熾熱的天體。

對於恆星的質量，除了太陽以外，只有少數雙星的質量能夠從軌道運動中求出。但是，使用質量與光度的對比，可以從物理性質上推算出一些恆星的質量。光度大致與質量的三次方成正比。恆星在光度和大小方面差別很大，但是質量方面的差別則小得多。質量大的恆星為太陽質量的上百倍，質量小的恆星為太陽質量的幾十分之一。目前已知，質量最大的恆星為太陽質量的120倍；最小的恆星僅為太陽質量的百分之八。

（3），紅巨星階段

恆星內部越靠近中心，溫度越高，所以主序星階段的恆星內部的氫核聚變反應是在中心進行的。越靠近中心氫越早消耗完，被合成氦。這樣，在中心部分便出現了一個由氦核組成的核心。如果溫度超過一億度，密度超過每立方厘米一百公斤，那麼，氦核會聚變為碳核。但是，主序星內部溫度和密度都沒有那麼高。比如今天的太陽中心的溫度就只有1500萬度，中心密度只有每立方厘米100克左右，所以，當在主序星內部形成一個同溫的氦核心以後，會有一段時期由於核心部分不產生能量，排斥和吸引的平衡受到破壞，吸引力占恆星運動的主要的局面。計算結果表明，當同溫氦核心的質量達到恆星質量的10%到15%之後，恆星物質的分布會自動地進行調整，核心部分收縮。這種收縮釋放出的引力能一部分使核心溫度升高，以恢復力學平衡。還有一部分則使外部膨脹，使外表面積加大。由於向外發射的輻射能的增加比外表面積的增加要小一些，每單位面積所發出的輻射能會反而比以前減少，這樣，表面溫度降低，主序星就轉化為紅巨星。恆星在赫羅圖上從主序向右方移動。以上就說明了各星在赫羅圖上彼此的差別。

恆星在從主序階段過渡到紅巨星階段的過程中，在氦核心的外圍進行著氫核聚變反應，這個進行著的氫核聚變的外殼逐步外移，以保持能量的供應。當核心收縮到溫度高於一億度，密度高到每立方厘米100公斤時，氦便開始聚變為鈹核。鈹核又很快和另一個氫核反應結合成碳核。

在氫核聚變階段，恆星內部的物理狀態會發生改變，導致外層收縮，使恆星表面積減少，表面溫度升高。這時，恆星在赫羅圖上就從紅巨星區轉回，向左移動，結束紅巨星階段。

一個像我們的太陽的恆星，擁有的能源足夠燃燒上一百億年，但是當氫燃燒盡的時候，會發生什麼呢？因為核反應在恆星的核心進行，恆星的核心最後將主要由氦構成，與氫相比較，氦需要更高的溫度和壓力才能發生核反應，當恆星產生的能量越來越少的時候，引力將在原來的動態平衡中佔上風。恆星開始坍縮。這時溫度重新升高，一直升到比氫燃燒更快的碳循環過程開始。這些氫的核反應最初在核心周圍的一層很薄的殼中開始，不斷增加的熱量引起恆星外層膨脹，直到恆星的半徑達到原來的幾百或幾千倍。因為現在的恆星產生的總能量被分散，一個比原先大得多的空間，恆星的外表溫度看上去呈紅色，所以我們稱它為「紅巨星」。如果我們的太陽到了那個時候，它會吞噬它附近的一切行星。這種吞噬有兩種：一是簡併；二是吸食。

所謂簡併，就是恆星由於體積擴大，佔領了行星的運行軌道，行星已經成了恆星的一部分，也就是太陽體積的半徑再向外擴大6000萬公里，太陽就把水星給佔領了。所謂吸食，就是由於行星與太陽之間軌道距離太小，太陽的引力把附近的行星吞噬進去了。比如地球和金星。不過，不必擔心，到那時，我們人類將不會受到什麼痛苦，因為到那時。人類早已經不存在了，不但人類不存在了，就是其他生物也都不存在了。

（4），脈動和爆發階段

恆星在演化中過了紅巨星階段，就進入了一個很不穩定的階段。由於在這個階段里，發現大部分恆星都江堰市有脈動現象，表現為：周期性膨脹和收縮。這種恆星的內部在進行著氦核聚變反應，內心溫度和密度都很高，外層密度雙很低，在表面之下一定深度，有一個氦電離區，其溫度分布使得一次電離氦原子處於部分地二次電離狀態，在外層邊沿處，溫度不高，氦原子不能二次電離，下面一點，由於溫度較高，氦原子有一部分二次電離，越下面，溫度就越高，二次電離的氦原子就越多。到了這個恆星的中心部分，全部氦原子都二次電離，恆星的脈動就是由這個中心部位的二次電離的氦原子維持的。恆星收縮時，熱能增加到比對抗吸引力時還要多，多餘的部分就轉化為電離能存儲起來。二次電離的氦原子增多，電離吸收了熱能，使溫度不再升高，恆星膨脹時，熱能不足，存儲的能量便自動地用來補充。二次電離的的氦原子(氦核)和自由電子複合,回到一次電離氦原子,複合時放出所需的能量,使溫度不降低,讓脈動能夠維持下去。我們稱這種脈動的恆星為變星。變星又分為幾大類：造父變星、長周期變星、半規則變星和不規則變星。之所以稱這些恆星為「變星」，就是因為它們的亮度或電磁輻射不穩定，經常發生變化，有時很亮，有時又幾乎看不見它發光。

這裡介紹一下「造父變星」。造父是中國周穆王時一個會駕車的人，一次為周穆王駕車向西遊玩，忘記回來，途中得知有人作亂造反，造父立即駕車幫助周穆王平息了這次叛亂，周穆王於是封他為趙王。用「造父」給恆星命名是古代中國人給仙女座五個恆星取的名字，又稱「司馬」、「伯樂」。這幾個恆星在夏天黎時時和冬天上半夜如果它們正處於發光時，可以在北緯中天看見它們。因為它們變化有規律，又稱它們為經典造父變星。後來人們把每一天到五十天變光一次的變星都叫「造父變星」。

恆星的演化到了後期，很大一部分還經常爆發，其規模和猛烈程度無法用人類的語言來表達。這種爆發一般發生在脈動之後，形式很多，行星狀雲就是晚期恆星的一種爆發方式的產物。雲狀物質就是核星中拋撒出來的。例如我們在北緯度天亮之前在金牛座可以看見的蟹狀星雲就是我們銀河系的一個晚期恆星爆發後產生的星雲。它離我們地球的距離是6300光年，不能算太遠。它的中心位置在爆發後還留有一個高密度的中子星，拋撒出的物質形成星雲，以每秒四萬公里的速度向四周散發。這個中子星雖然只有十公里的直徑，卻質量比太陽還要大。它的密度每立方厘米高達上億噸，現在還發出強烈的射電和Х射線、伽馬射線。這些射線發射時如果正好對著地球上的人類，對我們的健康是非常不利的。

這些恆星在幾萬年內大致連續拋撒大量的物質。60年代，人們才肯定行星狀星雲的核星是演化到晚期的恆星，其核心由碳核組成，中層有氦，外層有氫。爆發是由於中外層的氫和氦落入核心部分迅速聚變釋放大量能量，引起大量物質拋撒射。

另一種是超新星和新星的不規則的爆發。爆發雖然不規則，但是超新星和新星的爆發比行星狀的變星爆發要猛烈得多。新星爆發後，有一個平靜期，等若干時期再爆發，時間並不固定；超新星爆發最為猛烈，有的爆發後就會全部破碎了，成為瀰漫太空的塵埃，也有一些則留下一部分組成一個比原恆星小得多的高密度的中子星。

恆星到了晚期，當內核溫度升到幾十億度，密度升到水的一億倍以上時，內部會產生大量的中微子。中微子（Neutrino）是一種不帶電的基本粒子，靜止質量等於零，穿透力特彆強。我們人體和我們的地球經常會有大量的中微子（從太陽和其它天體而來）從中穿過，而我們自己卻根本感覺不到。中微子從恆星內產生後，逃逸到外面，帶走大量的能量，這種狀況會造成恆星的引力坍縮，導致急速的收縮，於是引力能就轉化為爆發能。

超新星的爆發會產生強烈的射電源。對於我們，除了太陽，感受到的最大射電源是仙后座的射電源。在那裡，現在已經看不到恆星了，但是卻散發著很多的碎片以每秒7400多公里的速度向四面八方飛奔，比我們的人造地球衛星還快好多倍呢！但是，它們原來的恆星已經不見了。斯星已逝，射電猶存！

宇宙中的一切具體事物都有一個形成、發展、興盛和衰落的過程。這是誰也無法控制的。恆星尚且如此，何況我們人類呢！