千亿个太阳 作者:[德]鲁道夫·基彭哈恩-第14章
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7。演化后期的恒星当7个太阳质量的恒星中心部分的氦全部耗尽以后将会发生什么呢？会立即出现一个接一个的能源危机吗？恒星的核心会自己升温到3亿度，并使碳燃烧起来吗？现在很难用计算机继续跟踪这颗恒星。当中心的氦全部耗尽以后，那里的密度和温度的确在增大，一切都是朝着使碳燃烧的方向发展的，但就在此时出现了困难。中微子致冷，壳层源的闪跃如果恒星中心的密度和温度都足够高的话，那么当一个光子和一个电子碰撞时，就可能产生两个新的基本粒子（图7…1）。其中之一是我们已知的中微子，而另一个则是中微子的近亲，叫做反中微子，它的性质和中微子的性质十分相似，特别是它也能毫无阻挡地穿过恒星物质而到达外部。恒星不仅对于中微子，而且对于反中微子也是透明的。当中微子…反中微子成对诞生时，它们父母的能量，也就是电子和光子的能量就被消耗掉了。这个能量交给了新诞生的双生子。它们带着这个能量无阻挡地由恒星中心逃到宇宙中去。当恒星的中心区域收缩，企图使温度达到碳燃烧的温度时，却有越来越多的中微子…反中微子成对产生。它们把能量带走，使恒星内部冷却，从而阻止或者至少是延缓了碳的燃烧。最后当碳的聚变终于开始时，这个长期被延缓的反应是以爆发形式发生的，有可能使整个恒星破裂。不过为了准确地了解它，我们必须能够计算到这个阶段，然而我们却遇到了新的困难。■在恒星后期的演化阶段中，当能量是由一个壳层中的氢燃烧和另一个壳层中的氦燃烧所提供时，这时核反应不再以均匀的速度进行。产能率突然增大，经过几百年以后又下降。恒星的光度有时完全由氢燃烧的壳层提供，然后又完全由氦燃烧的壳层提供。在个别壳层源内会有对流区域出现，使恒星部分物质混合，然后又消失掉。如果想用计算机跟踪这些过程，则需要跟踪两个壳层源的突然发亮和逐渐平息的细节。为了做到这一点，在仅仅相当于一颗恒星生命中的100年的时间里，也许就需要计算一百个恒星模型。因此谁要想跟踪恒星演化几百万年的话，那么他所遇到的是实际上无法解决的难题。至今所有从事恒星演化研究工作的小组对此都已宣告失败。即使这个难题解决了，还会有其他的困难出现。核燃烧将越来越复杂。如果两个碳原子相互碰撞并发生反应，那么这个反应的产物绝不是很确定的。反应产物有可能是镁、氧、氖或钠，它们以一定的几率比例而生成，
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所以恒星的化学组成将越来越复杂。此外，各种重元素发生聚变反应的温度也几乎相同，这样就会在恒星内同一地点发生多种不同的核燃烧。所有恒星模型构造者只好暂时停下来，用电子计算机模拟恒星演化史的艺术至此结束。我们尚不清楚今后会怎样，我们只能对今后会发生什么进行猜测。红巨星中的白矮星当计算机不能再告诉我们一颗恒星以后的命运时，我们还可以通过直接观测的办法来获得关于恒星下步演化情况的信息。当7个太阳质量的恒星模型处于主序后向晚期演化时，中心区域将不断收缩。那里的密度首先在氢耗尽以后，随后又在氦耗尽以后急剧地增大。当恒星还在原始主序时，中心的密度比水的密度的十分之一还小，然而在氦耗尽以后，中心的密度已增大到每立方厘米10吨。我们知道，只有白矮星的密度才有这么大。实际上在这颗已处于后期演化阶段的恒星的内部埋藏着一个密度很高的核。核的总质量略大于1个太阳质量，它的半径与一颗质量相同的白矮星的半径相同。它所有的性质都和一颗白矮星的性质相似。但不同的是它的外部被一个很大的气体外壳所包围，外壳的质量大约为6个太阳质量。一切红巨星以及中心氦已经耗尽并且比红巨星更亮的红超巨星都是这种情况。它们都像7个太阳质量的恒星一样有一个很密的核。在一颗红巨星的核心部位总是埋藏着一颗白矮星！如果把包围在密度很高的核外部的外壳去掉，那么余留下来的将和自然界中出现的白矮星没有区别。一颗后期演化的恒星能不能把它的外壳推出去而变成一颗白矮星，即变成像天狼星的伴星一样的星？在继续讨论这个问题之前，我们先说说类太阳恒星。对于类太阳恒星模型的计算可以进行多远？太阳更遥远的将来前面曾讲过，用计算机模拟类太阳恒星的演化时，氦燃烧的迅猛出现利用亨耶方法在1962年跟踪了“氦闪跃”。氦闪跃就是氦的迅猛燃烧。恒星内发生了什么？下面介绍一下汉斯…克里斯托夫·托马斯（Hans…ChristophThomas）1967年在慕尼黑获得博士学位所进行的计算。回忆一下，我们的类太阳恒星，位于赫罗图的右上方（图5…4），它中心的氢早已耗尽，在中心区域内出现了一个氦球。氦球表面处有一个壳层，那里有氢燃烧，壳层不断吞食外部含氢丰富的区域，壳层外部的外壳延伸得很远。恒星这时已变成了红巨星（见图5…2（d））。
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由于氦核表面的氢变为氦，使得氦核不断地吞入质量，它使中心的密度和温度上升，于是光子和电子很快产生中微子对，并使得内部的一部分能量被中微子直接带走。由于中微子的作用，使中心区域变冷。恒星的中心点在一般情况下应该是最热的，但现在由于中微子的致冷作用，使得恒星中心点的温度低于氦球内其他区域的温度。而氦很快就在温度最高的区域内开始燃烧。由于氦的聚变是在高密度情况下进行的，它会燃烧得非常迅猛，这就是氦闪跃。不过即使是氦燃烧进行得非常迅猛，人们也不应该相信，在太阳（假定有朝一日太阳变到这一步）的外部会有明显的感觉。由于太阳的惯性可以使内部产能率短时间的增大而在外部仅有很小的影响。氦燃烧在200年时间里进行得很剧烈，然后它又逐渐回复为平稳的燃烧。在这以后就再次出现了所有后期演化恒星的老年毛病。壳房源以闪跃方式燃烧，并迫使计算机去考察在100年内所发生的各种过程。在这种情况下要通过计算途径去研究几百万年，甚至更长时间的恒星演化就成为不可能。但是要想知道恒星下步的演化就必须要很长时间。我们的技巧只能到此为止。余下的是，或许通过观测能够找到已经越过这个演化阶段的恒星，从而获得有关恒星下步演化情况的信息。为此，图2…9所示的球状星团赫罗图对我们很有帮助。我们可以回忆一下，在这里能够观测到的恒星都是处于由主序向红巨星演化途中的恒星，在它们的内部氦还没有开始燃烧。计算告诉我们，当氦燃烧开始时，恒星的位置处于图中的右上方。由此可以得到这样的结论，图中在水平分支上的恒星，它们内部的氦必定已经开始燃烧了。可是描述氦闪跃以后的计算模型丝毫也没有向左转到水平分支的趋势，它们仍然停留在右边红巨星区域内。那么水平分支上的恒星是怎么来的呢？现在在加利福尼亚工作的霍伊尔的学生约翰·福尔克纳（HohnFaulkner）首先提出了解决这个问题的想法。人们可以用有氦燃烧的类太阳恒星的计算模型进行一个小实验。如果从它的表面人为地去掉一部分质量，再让计算机去计算这个被部分切除的恒星模型的内部结构，就会得到这个恒星模型不再位于赫罗图的右上方，而是靠近水平分支。而且并不需要将氦核外面的全部含氢丰富的外壳都去掉，只需部分切除就够了。通过这个计算实验我们是否已找到了真正的踪迹？也许在红巨星阶段的类太阳恒星一旦从表面损失一部分物质，即丢失一部分外壳以后，它就会移到人们在球状星团赫罗图中已观测到的水平分支上？在水平分支上的恒星似乎内部已开始了氦燃烧。下面我们看一下图7…2。或许那就是太阳遥远的将来：在红巨星阶段它损失了很多物质，将外壳的相当部分抛到宇宙中去了，然后它就能长时间地停留在水平分支上？情况好像就是这样的。太阳迟早会把几乎全部的质量集中到它的白矮核内，并且最终在某一演化阶段将外壳抛出去，然后变成一颗白矮星。
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■计算得到的恒星后期演化模型使我们认识到恒星会损失物质。根据这个认识我们再进行观测，则发现有一系列迹象可以说明，不仅是后期演化恒星，而且像太阳这样很平稳的主序星也存在物质损失。彼得·阿皮阿努斯、路德维希·比尔曼和彗星彼得·阿皮阿努斯（PeterApianus），萨克森人，16世纪在因戈施塔特教天文，原名叫彼得·比内维茨（PeterBienewitz）。路德维希·比尔曼住在慕尼黑，在马克斯…普朗克学会中担任我的前任职务。这里要讲述关于彗星的一个奇妙的性质，并且会引出有关太阳物质损失的问题。…6彗星是比地球质量的10还要小的物体。它们是在拉伸得很长的椭圆轨道上绕太阳运动。它们之中最有名的是哈雷彗星，大约要75年才沿轨道转一周。它将于1986年再次回到太阳的附近。当彗星来到太阳附近时，气体物质被蒸发。在通常情况下彗星内的物质被冻结成冰或雪，而且在雪中还混合有一些尘埃粒子。气体和尘埃不是各个方向都均匀地离开彗星，它们会形成一条有方向的尾巴。这条尾巴给彗星以奇妙的外观。严格地说，彗星有两条尾巴。一条是尘埃尾巴，尘埃粒子沿这条尾巴飞走；另一条是气体尾巴。由于受太阳辐射压的作用使尘埃粒子沿一条背离太阳方向的并且常常有点弯曲的轨道运动。我们对彗星的尘埃尾巴不很感兴趣，但气体分子对我们却是一个谜。它们沿着一条直线尾巴以很高的速度离开彗星，有时可以达到每秒100公里。彗星的奇特现象（不要和迅速飞过天空的流星相混同）总是使人激动不安（见图7…3）。在中世纪它们被看作是战争、饥荒和瘟疫的预兆。但是它们也不断地激发起科学家的思想。还在16世纪的前半期，数学家阿皮阿努斯就发现彗星发亮的尾巴总是指向离开太阳的方向。彗星在空中的运动从来不会把它的尾巴也拖在彗星运动的轨道上。它的运动总是要使气体尾巴指向背离太阳的方向（见图7…4），当它远离太阳的时候，它的气体尾巴会向它运动的前方移动。由于存在背离太阳方向的尾巴以及离开彗星的气体能以很高的速度朝着远离太阳方向飞去的事实，使得上个世纪的人们就产生了一种想法，认为必定存在一种和重力相反的力，是它把物质推向背离太阳的方向。■具有这种作用的唯一已知的力是太阳辐射压对彗尾中粒子的作用力。然而1943年正在汉堡工作的天文学家卡尔·武尔姆（KarlWurm，1899…1975）指出，用辐射压来解释彗星气体尾巴的巨大速度是不行的，因为它太弱了。不管怎样，我们已观测到这样飞快的速度，并需要给以解释。由于气体粒子总是朝远离太阳的方向飞去，原因必定来自太阳。这就使路德维
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希·比尔曼在1950年产生了这样一个想法，即很可能存在一个来源于太阳并穿过我们太阳系的粒子流，它能把由彗核蒸发出来的分子一起带走。过去人们已经知道，太阳上偶然的爆发可以将气体云抛到空间中去，例如北极光就是由于这个原因形成的。比尔曼当时断言，在太阳上存在一个�
![黑太阳 作者:[美] 杰克·威廉森 完整版封面](http://www.beike3.com/cover/noimg.jpg)