二、恒星的一生

所有的恒星都起始于星云——一種氣體塵埃云。因其相對密度較大，星云會不斷吸積周圍密度較小區(qū)域的物質。隨著吸積物質越來越多、質量越來越大、溫度越來越高，其核心開始發(fā)生聚變，進而開始發(fā)光發(fā)熱。如此一來，真正意義上的恒星誕生了。

這樣一顆所謂的孤立恒星，其演化的快慢、軌跡完全取決于初始的質量。太陽這樣的中小質量的恒星，首先會燃燒內部的氫，氫燃燒完之后會燃燒氦。燃燒氦階段的太陽，就成為所謂的紅巨星，會變得非常大。在其內部的核聚變最終停止后，太陽會變成白矮星。當然，一些質量非常大的恒星，到了這一步仍不會停下來，會進一步反應其中的碳、氧、硅，最后形成鐵核心。之后，鐵核心會不斷發(fā)生塌縮，導致超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后，恒星剩下的一部分就會形成中子星或黑洞。此外，還有一種紅矮星，是比太陽的質量還要小一些的恒星，其亮度不是特別亮、燃燒得也非常慢，比如距離太陽4光年的最近恒星——比鄰星。相對而言，大質量的恒星壽命是短暫的，而太陽已經形成了46億年，仍處于氫燃燒階段并將持續(xù)50億年。此外，宇宙中還存在一些“失敗的”恒星，也就是那些質量非常小，以至于不能引發(fā)核心內部聚變、不會發(fā)光發(fā)熱的恒星。

大質量恒星演化到末期塌縮成的神秘天體有二：中子星的密度是非常大的，以至于僅飯勺大小的其中物質就能如大山般重；而黑洞的密度則較中子星更大。黑洞的中心區(qū)域是我們看不到的區(qū)域，其邊界被稱為視界，也就是再往里面就看不到了，因為這一區(qū)域的引力非常強，強到連光都跑不出來。關于黑洞的發(fā)現(xiàn)與研究，我們主要是通過其周圍的物質特點來進行的。

除了孤立恒星，宇宙中也存在著雙星系統(tǒng)。顧名思義，雙星系統(tǒng)就是由兩顆距離較近的恒星組成的系統(tǒng)。兩顆恒星會相互影響對方的演化，恒星之間的物質也會共享，比如密度較大的恒星會從密度較小的，特別是氣體的恒星上吸引物質。兩顆密度都很大的恒星組成的雙星系統(tǒng)，在其演化中會形成圍繞著對方不斷接近的過程，期間會放出引力波。近年來，我們觀測到了雙黑洞并合發(fā)出的引力波，也觀測到了雙中子星并合發(fā)出的引力波，同時發(fā)現(xiàn)了很多電磁信號。

此外，宇宙中還存在著三顆及以上的恒星組成的聚星系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可能是非常不穩(wěn)定的，比如《三體》就以半人馬座的三合星為原型設計了一個極不穩(wěn)定的聚星系統(tǒng)。距離太陽系4光年的半人馬座的三合星，就是一顆氣態(tài)巨行星圍繞著三合星中最大的恒星旋轉。

太陽的光和熱滋潤了萬物生長。太陽對我們極為重要，即使它表面的一點漣漪——太陽黑子，也會給我們的生活帶來影響。自古以來，人們始終好奇一個問題：太陽發(fā)光發(fā)熱的巨大能量從何而來？這個問題使得眾多科學家困惑不已并投身其中，力圖解開這個謎團。在古代，人們盡管還未掌握足夠多的科學知識，但已經意識到，太陽也許是一個熊熊燃燒的大火球。但是，太陽究竟在燃燒什么東西，可以如此經久不息？人們猜想著各種各樣樸素的可能，比如燃燒樹枝枯草，但這些東西太不經燒了。后來，人們發(fā)現(xiàn)了煤以后，就想象太陽可能是個大煤球，但經過簡單計算就能發(fā)現(xiàn)，大煤球用不了2000年也就燒完了，而太陽的歷史顯然比2000年長得多。

19世紀50年代，能量守恒定律發(fā)現(xiàn)者、德國物理學家赫爾姆霍茨嘗試用萬有引力解釋太陽的能量來源，即如果物質落到太陽表面就將獲得一定的勢能，而太陽則通過吸引星際氣體和塵埃的方式獲得能量。于是，人們通過這一方式測算出太陽的壽命大概是3000多萬年。19世紀末，法國物理學家貝克勒爾和居里夫婦發(fā)現(xiàn)了天然放射性，使得人們第一次能夠測定地球以及太陽系隕石的年齡，進而推斷出太陽的年齡大約為50億年，遠遠超過前者推導出來的3000多萬年，也就證明引力不是太陽能量的主要來源。

20世紀20年代，英國天文學家愛丁頓提出，恒星能量可能來源于其內部的原子核的聚變反應。他估算的太陽中心溫度必須達到4000萬度，而這沒有被認可。1928年，蘇聯(lián)物理學家伽莫夫提出了放射性元素衰變時存在的“隧道效應”，并認為核反應也有可能會存在這樣一個“隧道效應”。1929年，英國天文學家阿特金森和核物理學家豪特曼斯利用伽莫夫的“隧道效應”，解釋并證實了愛丁頓關于聚變反應的猜測。他們認為，雖然核聚變在理論上需要4000萬度的溫度才能發(fā)生，但借助“隧道效應”完全可以在低于2000萬度的溫度下發(fā)生，太陽就是這樣發(fā)光發(fā)熱的。盡管當時這二人并未提出恒星內部發(fā)生的具體是什么聚變反應，但他們的工作為后來徹底解答太陽及其他恒星的能量來源問題奠定了重要基礎。

1939年，美國物理學家貝特系統(tǒng)地發(fā)展了核反應理論，分析了氫聚變生成氦的可能過程，提出了兩種可能發(fā)生在恒星內部的產生能量的過程：一是質子-質子反應鏈，是質量像太陽這樣的恒星的主要能量來源；二是碳氮氧（CNO）循環(huán)，是質量更大的恒星的主要能源。至此，恒星能源謎團終被解開，貝特也因此獲得1967年的諾貝爾物理學獎。

恒星能源的研究歷史表明：科學探索未知世界的過程充滿樂趣，也存在不確定性，大科學家也可能犯錯誤；但是，基于科學方法的探索總是有意義的，即使當時沒有完全解答某個問題，也可以為后人提供極為重要的借鑒。如果沒有前人排除眾多猜想，那么貝特解開恒星能源的謎團也許將花費更多時間。