银河系及其恒星
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银河系及其恒星
恒星秘史
对我们人类来说，星空看起来总是一个样。但不要被外表骗了。星空并非一成不变。恒星在非常长的时间内发生变化。恒星有自己的生活，几乎可以说每颗恒星都可以单独写一本传记。
恒星也有出生和死亡。它们从尘埃中形成，并再次归于尘埃。就像地球上的植物和动物一样，它们处于成长和消亡的连续循环之中。当它们咽下最后一口气，将外壳抛向太空时，又会帮助年轻的恒星诞生。恒星在垂死挣扎的时候把气体和尘埃喷射到太空中，并堆积起巨大的云团。之后，来自活动恒星（active star）的灰尘富集在云中。这种化学混合物为新的恒星和行星创造了完美的产生环境。
这种星际气体尘埃云的直径可以达到几十到几百光年，可以说是宇宙中最美丽的景观之一。深入观察我们的银河系，就会发现星际云不可胜数。怪异的巨型云团聚在一起，或闪闪发光，或在银河的光芒前方像黑色的影子一样移动。银河系凭借强大的旋臂把它们推到一起，就像扫雪机推新雪一样。通过望远镜观察，这些美轮美奂的宇宙艺术作品就会显现身影。
距离我们仅1300光年的猎户星云，是我们银河系中最美丽的云团之一。这也是唯一一个我们能在良好的条件下用肉眼看到的星云。发光的猎户星云好似蒙着亮闪闪的薄雾重纱。在这个巨大的区域，许多年轻和炙热的恒星在此诞生。猎户星云发出的光芒主要是红色到粉红色，中间带着几丝蓝色，几乎看起来有点俗气。人眼无法看到它最内部的核心，因为尘埃吞噬了来自内部的一切光学波段的光。只有在长波波段，天文学家才能穿透尘埃屏障，了解这种云团的中心的情况。例如，热气体产生的红外热辐射和射电辐射一样，可以相当无阻地向外传递。就像X射线照亮人体一样，这些长波可以穿透分子云。
气体中或恒星表面的炽热成分会发出某种特定颜色的光，如同其专属的条形码，尘埃云中的分子也是如此[75]。高频辐射中这类“条码”格外多。这种光的波长只有几毫米长，甚至更小。在日常生活中，我们和这类电磁波的接触主要来自机场里现代化的人体扫描仪。
宇宙气体云的辐射可以在地球上测量。在过去的四十年里，世界各地都建造了射电望远镜，以观察此类分子在太空中的行为。北半球最大的干涉仪位于法国阿尔卑斯山的布尔高原（Plateau de Bure），海拔为2550米。在那里，IRAM-NOEMA[76]望远镜的11台银色的15米天线盘在白雪覆盖的山脊上熠熠生辉。全世界最大的干涉仪是位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵（ALMA），它由66个碟形天线组成，其中大部分的直径为12米。该望远镜由欧洲、美国和日本共同操作，位于海拔5000米的极度稀薄和干燥的空气中。倘非如此，低海拔地区的潮湿大气将会严重地吸收掉微弱的射电波。因此，在黑洞成像中，发挥关键作用的恰恰是这样的射电望远镜。
让我们回到太空，回到恒星的诞生和气体星云。对我们来说，那是遥远世界的神奇所在。仿佛有什么魔法似的，年轻的恒星在云团中诞生。当然，这里并没有什么魔法，起作用的是迷人的自然科学。气体星云主要由氢气组成。这种所有元素中最轻的元素是宇宙的光辉和恒星形成的关键成分。在地球上，小块的气体云会迅速消散。但是在太空中，大得多的气体会聚在一起。它们被彼此的引力束缚在一起，变得越来越致密。一颗恒星在诞生前究竟要经历什么，是由以英国天文学家詹姆斯·金斯（James Jeans）命名的“金斯判据”决定的。在这样的气体云中，引力和气体压力总是形成一种平衡。金斯意识到，存在一些会破坏这种平衡的因素。如果超过了临界金斯质量，云团就会收缩：它准是怀孕了，马上会产下新的恒星。
在有些时候，只需要一次程度轻微的压缩，云团就会在随后数百万年的时间里在其自身引力的作用下继续变得越来越密。其温度也会从最初的零下260摄氏度稳步上升到正100摄氏度。此时，云中被加热的分子会开始发出辐射并释放出能量。
当气体温度达到几千摄氏度时，分子和原子之间开始分离，压力下降，整个结构发生内爆。云块坍缩并裂成小碎片。以宇宙标准看，这种过程发生得非常快。一颗小的原恒星只需要不到30000年的时间就能看到太空的曙光。在这个阶段，它已经可以发出温暖的红光。还需要3000万年，它才能成为一颗年轻的恒星。在这段时间里，原恒星在巨大的压力下温度攀升到几百万摄氏度，直到核聚变接棒：这时起，与太阳内部相同，氢开始燃烧成氦。最后，一颗新的恒星形成了，就像我们在天空中看到的成千上万颗一样。
团块形成行星
这些宇宙云块中形成的不仅是恒星。从观测数据中，我们现在也可以推断出整个行星系统是如何形成和演化的。当云团收缩时，尘埃在恒星胚胎周围聚集，组成一个大型的、缓慢旋转的盘状物。物质在中心周围收缩得越剧烈，旋转速度就越快。
我们都通过滑冰运动员的回旋动作了解过这种效果。运动员在伸出手臂时，会围绕自己的轴线缓慢旋转。但如果他们把手臂和腿拉近身体，旋转速度就会增加。用冷静、实事求是的物理学语言描述这个过程，那就是：角动量等于质量、距离和速度的乘积，并保持不变。如果距离减少，速度必须增加。在太空中围绕甚至包裹年轻恒星的尘埃云也适用于这种法则。收缩得离中心越近，旋转就越快。最终，物质盘也形成了。
在尘埃盘中，小团块开始成形。我想象，这就像在平底锅里用调料包做酱汁一样。如果你在勾芡时不够专心致志，搅拌速度不够快，最后就得不到酱汁，而是在锅里东一点西一点的小粉块。原则上来讲，现在发生的事情与恒星的形成完全相同。只是这一次，这些尘埃块并没有形成恒星，而是形成了行星。这些原行星从未热到足以在其内部引发核聚变。它们的质量太小，压力也太低。行星不断成长，吸走自己轨道上的尘埃，并在年轻恒星周围的尘埃盘中开出沟槽。来自ALMA望远镜的图像显示了这种原恒星周围的盘状环。它看起来就像是特大版的土星环[77]。(https://www.daowen.com)
圆盘的旋转运动也解释了我们行星轨道的黄道带是如何产生的。所有的行星都形成于围绕太阳的原始尘埃盘。因此，缓慢变暖的原恒星不仅演化成了太阳，也是创造我们行星系统的冰雪女王。
在太阳系的边缘，仍然能够找到这种早期阶段遗留的冰块。这些肮脏的冰块也就是蓬松的彗星，由水、岩石和灰尘结合在一起构成。在旋转的尘埃盘中，并非每个小团块都会变成一颗小小的原始行星。有的最多成为冥王星那样的矮行星。更小的岩石块形成微型行星和小行星。它们缺乏足够的引力，无法形成漂亮的球体。
归根结底，正是这些天上的尘埃将生命的构件带到了地球。水和许多有机分子通过这个过程到达了地球，并丰富了地球的成分。构成我们身体的所有元素首先在恒星的内部锻造，然后在尘埃云中被冻结成分子，最后在地球的诞生及婴儿期来到我们身边。因此，我们人类也是宇宙的造物，我们的身体是由星尘构成的[78]。
太空中的生命
当看到所有这些尘埃和行星盘时，我们会自发地想，其他地方是否可能有生命。我们在太空中是不是很孤独，很寂寞？还有其他形式的生命存在吗？这是我在年幼时问自己的问题。不管是谁，当对宇宙的尺度开始有所感触时，大抵都应该问出类似的问题。
我在20世纪90年代中期开始做研究时，人们只知道一颗太阳系之外的行星。这颗行星围绕着一颗死亡的恒星，也就是脉冲星PSR 1257+12运行。它是由波兰天文学家亚历山大·沃尔什昌（Aleksander Wolszczan）和他的美国同事戴尔·弗雷尔（Dale Frail）于1990年发现的。一般认为，那里不存在有利于生命的环境。在我读完博士后不久，米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和他的博士生迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）于1995年在马赛附近的上普罗旺斯天文台发现了另一颗太阳系外的行星[79]。这颗后来被命名为Dimidium[80]的行星位于飞马座，距离我们50光年，围绕室宿增一（Helvetios）运行。室宿增一与我们的太阳很相似。两位研究人员因其工作获得了诺贝尔奖。
这类太阳系外的行星被称为“系外行星”（exoplanet），迄今为止已经发现了数千颗。但是，考虑到仅在我们的银河系就必须存在的行星数量，这几乎不算什么。在统计学意义上估算，银河系内的系外行星可能有1000亿颗，也许更多。但目前还没有找到明确的生命迹象。当然，很可能我们并不孤单。现在，越来越多的同事敢于发表这样的言论，并公开讨论外星人的问题。
智能生命可以通过无线电辐射将自己暴露出来。就在十年前，当我开始和一个研究生一起从LOFAR射电望远镜中搜索可能的外星信号时，一些荷兰的同事看我有些不顺眼[81]。后来这个学生去了加州大学伯克利分校，在那里，俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳（Yuri Milner）向该大学提供了高达1亿美元的资金，专门用于此类项目。我希望能有这样的钱用于我的研究。在米尔纳的捐助之前，天体物理学家吉尔·塔特（Jill Tarter）生前被电影《超时空接触》（Contact）深深触动，使用募捐来的资金在加州建立了SETI研究所。SETI即“地外文明探索”的首字母缩写。
我们还没有在太空中发现任何智慧生命，有些同事甚至认为即使在地球上也找不到智慧生命！尽管如此，寻找外星人的工作促使射电天文学产生了一些有用的技术进步。SETI需要优秀的软件和硬件，用于快速分析大量的数据。要做到这一点，天文学家需要丹·沃西默（Dan Werthimer）这样的计算机专家的帮助。SETI项目在加州大学伯克利分校启动就有赖于他。沃西默来自著名的“家酿计算机俱乐部”（Homebrew Computer Club），也与微软创始人比尔·盖茨和苹果创始人史蒂夫·乔布斯和史蒂夫·沃兹尼亚克为友。后三个人也都是那个俱乐部的成员。所有这些人都发了大财，除了沃西默。后来，沃西默设计的快速计算机处理器也给我们帮了忙，用在了处理来自我们的望远镜的大量数据上。
最后，第一张黑洞照片能够成为现实，我们不仅要感谢为扫描恒星和分子云的摇篮而建造的亚毫米波望远镜，而且还要感谢曾经被认为是离经叛道的寻找外星人的工作。
在我们找到外星生命之前，我们不会知道它是否真的存在。对我来说，这是一个冷静的科学问题。就算我们发现了地外生命，社会和宗教也不会崩溃。在一阵兴奋之后，世界将回到正轨。我们是谁首先取决于我们自己，而不是取决于可能存在的外星人。任何可能的生命友好型行星都相当遥远，在也许是几百或几千光年以外，甚至连通信都要通过几代人的努力才能实现。与其期待来自太空的救赎，我们应该自己维持自己星球的秩序，并对彼此友善相待。
[75]参见词汇表中“光谱学”的词条。
[76]IRAM是“毫米波射电天文所”（Institut de Radioastronomie Millimétrique）的缩写，而NOEMA代表“北方扩展毫米阵列”（NOrthern Extended Millimeter Array）。——译者注
[77]参见论文：Joshua Sokol, “Stellar Disks Reveal How Planets Get Made,” Quanta Magazine, May 21, 2018, https://www.quantamagazine.org/stellar-disks-reveal-how-planets-get-made-20180521。
[78]我们的人体中的一小部分氢原子可能从未成为恒星的一部分，而是自宇宙大爆炸以来一直以弥漫气体的形式在太空中漂移。
[79]这颗行星一开始被命名为飞马座51b（51 Pegasi b），这也是目前绝大多数天文学家认可的名称。
[80]Dimidium（音如：迪米迪乌姆）并不常用且无正式中文译名。亦有非正式别名为柏勒洛丰（Bellerophon）。——译者注
[81]参见论文：J. E. Enriquez, et al., “The Breakthrough Listen Initiative and the Future of the Search for Intelligent Life,” American Astronomical Society Meeting Abstracts 229 (2017): 116.04, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017AAS…22911604E。
