奇妙的恒星世界

張唯誠

一個星團，其中許多恒星的質(zhì)量是太陽的兩倍

恒星是一種非常熱且能自身發(fā)光的天體，大多數(shù)恒星的表面溫度比廚房烤箱里的溫度要高幾千攝氏度。例如，太陽是離我們最近的恒星，它的表面溫度為5780開爾文，相當于5507攝氏度。正因為恒星如此熾熱，發(fā)出如此明亮的光芒，即使距離數(shù)萬億千米我們也能看到它們。

看上去太陽與其他恒星很不相同，其實它仍然是一顆普通的恒星，只是距離我們很近而已。地球和太陽系中的其他行星圍繞太陽運行，它們在夜空中看上去很像恒星，但行星自身不會發(fā)光。當你在夜空中看到一顆行星，比如火星或者土星，它的光芒實際上來自太陽，它把太陽的光芒反射到了你的眼中。

這是太陽探測器“太陽動力學(xué)觀測臺”在極紫外光下拍攝的太陽圖像，它顯示了太陽上正在發(fā)生太陽輻射的強烈爆發(fā)，即太陽耀斑。

恒星是從巨大、寒冷、黑暗的氣體和塵埃云團中誕生的，誕生的過程極其漫長。在重力的作用下，云團中的物質(zhì)聚集在一起，其中一部分撞向中心，使其升溫。到了某一時刻，云團的中心變得非常熱，開始發(fā)光，一顆恒星就這樣誕生了。

恒星誕生后，它會沿相當圓的軌道環(huán)繞星系中心運行。然而，隨著時間的推移，來自巨大氣體云、星系旋臂和其他恒星的引力拖拽，會使恒星來回晃動，這些擾動使恒星環(huán)繞星系中心的軌道慢慢變成橢圓，因此，恒星的軌道可以表明它們的大致年齡。

宇宙中的恒星是多種多樣的，有些很熱很亮，能夠被我們用肉眼看到，但有些卻并不那么明亮，還有些暗淡得用肉眼根本無法看到。紅矮星和褐矮星是宇宙中非常暗淡的恒星，它們的質(zhì)量遠低于太陽，溫度很低，釋放的能量比太陽弱得多。這其中褐矮星尤其“貧弱”，它們發(fā)出的光芒主要來自它們誕生時的熱量，但隨后它們的核活動就突然減弱了，這導(dǎo)致它們冷卻并且消失，被稱為“失敗的恒星”。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的天體物理學(xué)家迪諾·徐、亞當·伯加塞和他們的同事，通過研究紅矮星和褐矮星在太空中的移動方式，識別出了存在于這兩種恒星之間的分界線，即一顆恒星得以存在的臨界溫度。

紅矮星處在這個臨界溫度之上，它們雖然暗淡，但總算成了一顆合格的恒星。但在這個溫度以下的褐矮星就注定了“失敗”的命運。迪諾·徐認為，如果想以最小的努力成為一顆成功的恒星，那么就要把表面溫度設(shè)定為太陽的四分之一左右，這個溫度大約處在1200至1400攝氏度之間，這個溫度將長時間發(fā)光的紅矮星和“失敗”的褐矮星區(qū)分開了?？茖W(xué)家們將這項研究成果發(fā)表在了近期的《天體物理學(xué)雜志（增刊）》上。

一顆褐矮星，這種星體自身溫度低，質(zhì)量小，無法維持核反應(yīng)。

恒星誕生后，它的中心非常熱，以至于氫原子的原子核相互撞擊并聚在一起形成核反應(yīng)。核反應(yīng)為太陽和大多數(shù)其他恒星提供能量，它會維持很長時間，直至最終結(jié)束。

每種恒星的壽命都不一樣，因為它們的質(zhì)量不一樣。質(zhì)量越大，恒星死亡的速度就越快。這是為何？因為它們發(fā)出非常明亮的光，燃料消耗得很快。質(zhì)量最大的恒星可以存活數(shù)百萬年，這在恒星世界里是非常短暫的。像太陽這樣的恒星可以存活數(shù)十億年，更小的恒星壽命則更長。與它們的壽命一樣，恒星死亡的方式也是各不相同的。大質(zhì)量的恒星多以爆炸結(jié)束生命，它們的死亡方式非常輝煌，天文學(xué)家們將這種爆發(fā)的恒星稱為“超新星”。這時，恒星將大部分質(zhì)量噴射到太空中，而其余的部分則坍縮成一顆直徑只有幾千米的星核。在超新星階段，恒星變得出奇的明亮，它們會突然出現(xiàn)在夜空中。在古代，人們稱這種星為“客星”。

在很多情況下，星核便是一顆中子星。當帶負電荷的粒子（電子）和帶正電荷的粒子（質(zhì)子）融合成中性粒子（中子）后，中子星就得以形成。它的密度如此之大，以至于一茶匙中子星物質(zhì)在地球上的質(zhì)量就超過10億噸。但有時候，恒星的內(nèi)核會坍縮成黑洞，這通常是質(zhì)量更大的恒星造成的結(jié)果。黑洞的密度更大，任何東西，包括光，都無法逃脫它。

質(zhì)量較小的恒星，比如太陽，死亡的速度則較慢。太陽是一顆黃色的“主序恒星”，因為它正處在以內(nèi)部氫核聚變?yōu)橹饕芰縼碓吹陌l(fā)展階段，這是恒星的青壯年期。然而，當這種恒星進入老年時，它們的中心就會耗盡燃料。這時，它們開始在中心周圍的殼層中燃燒氫，這導(dǎo)致恒星膨脹，表面冷卻并變紅，從而演變成紅巨星。對于類太陽恒星來說，這個階段可以持續(xù)10億年或者20億年。

在紅巨星階段，恒星會失去質(zhì)量，最終，它的外層消失了，露出了熱核。這個只有地球大小的熱核仍然擁有很大的質(zhì)量。事實上，它的質(zhì)量通常和處于中年期的太陽差不多。這個熾熱的核，被稱為“白矮星”。

圓圈中的白點是白矮星，它們正在冷卻，直到完全失去熱量和光芒。

宇宙中每百顆恒星中大約有5顆白矮星，它們是質(zhì)量類似太陽這樣的恒星走向死亡的產(chǎn)物。這種星顏色偏白，因為它還有殘存的能量，發(fā)出暗淡的白光。由于坍縮產(chǎn)生的壓力，白矮星被壓縮到了很小。大多數(shù)白矮星在大小上更接近地球（地球的半徑約為6300千米）。天文學(xué)家們迄今發(fā)現(xiàn)的最小的白矮星的半徑約為2100千米，非常接近月球（月球的半徑約為1700千米）。

在銀河系中，距離我們最近的一顆白矮星，被稱為“天狼星B”，是天狼星的伴星，是已知的最大質(zhì)量的白矮星之一。白矮星“南河三B”距離我們11.4光年，不算遠，但它太靠近明亮的“南河三”了，一般的望遠鏡看不到它。但在雙魚座，有一顆白矮星距離我們14光年，它叫“范瑪寧星”，是人類發(fā)現(xiàn)的第3顆白矮星。它有著足夠的亮度，有可能被普通的望遠鏡觀測到。其他大量的白矮星雖然分布在銀河系中，但由于暗淡，一般的望遠鏡很難觀測到它們，但大型望遠鏡，例如哈勃太空望遠鏡，能經(jīng)常觀測到它們，并拍下了很多照片。

NASA 鏡頭里的白矮星『范瑪寧星』

紅矮星是宇宙中最常見的恒星，它們經(jīng)常擁有巨大的弧狀日珥和大量黑子，強烈的耀斑也會從它們的表面噴發(fā)出來。此圖顯示一顆行星正圍繞一顆紅矮星運行。

恒星喜歡成群結(jié)隊。18世紀，英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)了很多雙星。他還發(fā)現(xiàn)，恒星也喜歡抱成團，這便是星團。這些星團有的密集，有的稀疏。威廉·赫歇爾意識到，那是引力施放的“魔法”，說明星團處在不同的發(fā)展階段。但有些恒星，如太陽，則是孤獨的。通常情況下，星團只是恒星們臨時的“社區(qū)”，因為大多數(shù)星團都無法存在10億年以上。相較而言，太陽已經(jīng)存在40多億年了。也許幼年期的太陽，的確生活在一個星團中，但后來星團解體了，太陽只好成了“獨行者”。

不過，即使是“獨行者”，恒星也很難不被認為是一個巨大群體的一部分，這個巨大的群體被稱為“星系”。一個星團可能有幾千顆恒星，而一個星系則擁有更多的恒星，星系和星系之間又會構(gòu)成星系團。宇宙中有數(shù)不盡的星系團，每個星系團都包含著無數(shù)的星系。

大爆炸之后，宇宙由氫、氦和少量鋰組成。大多數(shù)恒星都會將輕元素轉(zhuǎn)化為重元素。宇宙中的大多數(shù)恒星，都在創(chuàng)造新的化學(xué)元素。我們呼吸的大部分氧氣是由大質(zhì)量恒星制造的，小質(zhì)量恒星則制造了大部分的氮，兩種類型的恒星都產(chǎn)生了碳。爆炸的白矮星形成了大部分鐵。所以公平地說，我們和我們的世界都是由曾經(jīng)的星塵組成的。

宇宙中存在各種各樣的恒星，而確定區(qū)分紅矮星和褐矮星之間的臨界溫度，意味著人類認識恒星的重大進步。不過，一些科學(xué)家認為，這種探測紅矮星和褐矮星之間溫度邊界的新方法雖然有趣，但結(jié)果是否可靠依然不能確定。這就是說，人們需要通過觀測更多的紅矮星和褐矮星來驗證這個發(fā)現(xiàn)。這項工作充滿機遇，因為紅矮星比比皆是，數(shù)量超過所有其他類型恒星的總和，而褐矮星也很常見。

然而，從另一方面看，紅矮星和褐矮星都很暗淡，這就增加了觀測的難度。例如，一種名為“多普勒頻移”的觀測技術(shù)就因此面臨挑戰(zhàn)。多普勒頻移能揭示天體接近或者遠離地球的速度，顯示了這種速度的運動對于計算恒星環(huán)繞星系中心運行的軌道至關(guān)重要，但暗淡的光增加了觀測的難度。不過，在探索自然奧秘的道路上，困難并不可怕，它們終會被技術(shù)的進步所克服，所以人類認識恒星世界的腳步依然會穩(wěn)步向前。