郭冰：探索宇宙的奥秘 恒星的前世今生（2）

二、恒星的一生

所有的恒星都起始于星云——一种气体尘埃云。因其相对密度较大，星云会不断吸积周围密度较小区域的物质。随着吸积物质越来越多、质量越来越大、温度越来越高，其核心开始发生聚变，进而开始发光发热。如此一来，真正意义上的恒星诞生了。

这样一颗所谓的孤立恒星，其演化的快慢、轨迹完全取决于初始的质量。太阳这样的中小质量的恒星，首先会燃烧内部的氢，氢燃烧完之后会燃烧氦。燃烧氦阶段的太阳，就成为所谓的红巨星，会变得非常大。在其内部的核聚变最终停止后，太阳会变成白矮星。当然，一些质量非常大的恒星，到了这一步仍不会停下来，会进一步反应其中的碳、氧、硅，最后形成铁核心。之后，铁核心会不断发生塌缩，导致超新星爆发。超新星爆发后，恒星剩下的一部分就会形成中子星或黑洞。此外，还有一种红矮星，是比太阳的质量还要小一些的恒星，其亮度不是特别亮、燃烧得也非常慢，比如距离太阳4光年的最近恒星——比邻星。相对而言，大质量的恒星寿命是短暂的，而太阳已经形成了46亿年，仍处于氢燃烧阶段并将持续50亿年。此外，宇宙中还存在一些“失败的”恒星，也就是那些质量非常小，以至于不能引发核心内部聚变、不会发光发热的恒星。

大质量恒星演化到末期塌缩成的神秘天体有二：中子星的密度是非常大的，以至于仅饭勺大小的其中物质就能如大山般重；而黑洞的密度则较中子星更大。黑洞的中心区域是我们看不到的区域，其边界被称为视界，也就是再往里面就看不到了，因为这一区域的引力非常强，强到连光都跑不出来。关于黑洞的发现与研究，我们主要是通过其周围的物质特点来进行的。

除了孤立恒星，宇宙中也存在着双星系统。顾名思义，双星系统就是由两颗距离较近的恒星组成的系统。两颗恒星会相互影响对方的演化，恒星之间的物质也会共享，比如密度较大的恒星会从密度较小的，特别是气体的恒星上吸引物质。两颗密度都很大的恒星组成的双星系统，在其演化中会形成围绕着对方不断接近的过程，期间会放出引力波。近年来，我们观测到了双黑洞并合发出的引力波，也观测到了双中子星并合发出的引力波，同时发现了很多电磁信号。

此外，宇宙中还存在着三颗及以上的恒星组成的聚星系统。这一系统可能是非常不稳定的，比如《三体》就以半人马座的三合星为原型设计了一个极不稳定的聚星系统。距离太阳系4光年的半人马座的三合星，就是一颗气态巨行星围绕着三合星中最大的恒星旋转。

太阳的光和热滋润了万物生长。太阳对我们极为重要，即使它表面的一点涟漪——太阳黑子，也会给我们的生活带来影响。自古以来，人们始终好奇一个问题：太阳发光发热的巨大能量从何而来？这个问题使得众多科学家困惑不已并投身其中，力图解开这个谜团。在古代，人们尽管还未掌握足够多的科学知识，但已经意识到，太阳也许是一个熊熊燃烧的大火球。但是，太阳究竟在燃烧什么东西，可以如此经久不息？人们猜想着各种各样朴素的可能，比如燃烧树枝枯草，但这些东西太不经烧了。后来，人们发现了煤以后，就想象太阳可能是个大煤球，但经过简单计算就能发现，大煤球用不了2000年也就烧完了，而太阳的历史显然比2000年长得多。

19世纪50年代，能量守恒定律发现者、德国物理学家赫尔姆霍茨尝试用万有引力解释太阳的能量来源，即如果物质落到太阳表面就将获得一定的势能，而太阳则通过吸引星际气体和尘埃的方式获得能量。于是，人们通过这一方式测算出太阳的寿命大概是3000多万年。19世纪末，法国物理学家贝克勒尔和居里夫妇发现了天然放射性，使得人们第一次能够测定地球以及太阳系陨石的年龄，进而推断出太阳的年龄大约为50亿年，远远超过前者推导出来的3000多万年，也就证明引力不是太阳能量的主要来源。

20世纪20年代，英国天文学家爱丁顿提出，恒星能量可能来源于其内部的原子核的聚变反应。他估算的太阳中心温度必须达到4000万度，而这没有被认可。1928年，苏联物理学家伽莫夫提出了放射性元素衰变时存在的“隧道效应”，并认为核反应也有可能会存在这样一个“隧道效应”。1929年，英国天文学家阿特金森和核物理学家豪特曼斯利用伽莫夫的“隧道效应”，解释并证实了爱丁顿关于聚变反应的猜测。他们认为，虽然核聚变在理论上需要4000万度的温度才能发生，但借助“隧道效应”完全可以在低于2000万度的温度下发生，太阳就是这样发光发热的。尽管当时这二人并未提出恒星内部发生的具体是什么聚变反应，但他们的工作为后来彻底解答太阳及其他恒星的能量来源问题奠定了重要基础。

1939年，美国物理学家贝特系统地发展了核反应理论，分析了氢聚变生成氦的可能过程，提出了两种可能发生在恒星内部的产生能量的过程：一是质子-质子反应链，是质量像太阳这样的恒星的主要能量来源；二是碳氮氧（CNO）循环，是质量更大的恒星的主要能源。至此，恒星能源谜团终被解开，贝特也因此获得1967年的诺贝尔物理学奖。

恒星能源的研究历史表明：科学探索未知世界的过程充满乐趣，也存在不确定性，大科学家也可能犯错误；但是，基于科学方法的探索总是有意义的，即使当时没有完全解答某个问题，也可以为后人提供极为重要的借鉴。如果没有前人排除众多猜想，那么贝特解开恒星能源的谜团也许将花费更多时间。