恒星的私生活
对于恒星如何生出自己的行星家族，我们已经有了大致把握，现在，是时候回头看看恒星本身了。
恒星的生命历程是怎样的？它如何诞生，它在漫长的寿命中会经历什么变化，它又会如何走向终局呢？
我们可以从太阳着手来研究这个问题，在银河系的数十亿颗恒星中，太阳是一个很典型的成员。首先，我们知道太阳是一颗相当古老的恒星，古生物学的数据显示，它已经以不变的亮度闪耀了几十亿年，并维持了地球上的生命发展。没有什么普通能源能在这么长的时间内持续提供这么多的能量，太阳辐射的问题曾是最让科学界困惑的难题之一，直到人们发现了元素的放射性嬗变和人工嬗变，隐藏在原子核深处的庞大能源才向我们揭开面纱。如第七章所述，几乎每一种化学元素都带有潜在的庞大核能，这些能量可通过将元素原子加热至数百万度后释放出来。
这样的高温在地球实验室中几乎无法获得，但在恒星世界却很常见。以太阳为例，其表面温度仅为6 000摄氏度，但越往内部，温度越高，中心温度高达2 000万摄氏度。这个数字很容易算出，我们只要知道观测到的太阳表面温度及构成太阳的气体的热传导性即可。类似的，只要知道一颗土豆的表皮有多热，再加上土豆的热传导系数，我们不必把它切开，就能算出土豆中心的温度。
将已知的太阳中心温度与各种核嬗变的反应速率结合起来，就能确定太阳内的能量是由何种反应产生的。这个重要的核过程称为“碳循环”，是由两位对天体物理学感兴趣的核物理学家贝特（H.Bethe）和魏茨泽克同时发现的。
太阳释放能量的热核过程不是单一的核嬗变，而是一系列相互关联的核嬗变，它们共同形成了一条我们所称的反应链。该反应链最有趣的特征之一是，它是一条闭合的环形链，每经过六个步骤，就会回到起点。从表示太阳反应链的图11-5中我们可以看出，反应链的主要参与者是碳核和氮核，以及与它们碰撞的高温质子。
图11-5 太阳通过这条环状核反应链产生能量
先从普通的碳（C12）开始说，它与质子相撞后，会形成较轻的氮同位素（N13），并以γ射线的形式释放一些原子能。核物理学家很熟悉这个反应，也已经通过人工加速的高能质子在实验室条件下实现了。不稳定的N13原子核会自我调整，释放一个正电子，即正的β粒子，变成较重的碳同位素（C13）的稳定原子核，煤中也含有少量此类元素。当这个碳同位素再被另一个高温质子撞上，它会转化为普通氮（N14），并释放出剧烈的γ射线。N14核（我们也可以很容易地从N14开始描述这个循环）与另一个（第三个）高温质子相撞，会变成不稳定的氧同位素（O15），它很快会释放一个正电子，变成稳定的N15。最终，N15会接收第四个质子，并分裂成两个不相等的部分，一部分是整个流程开始时的C12核，另一部分是氦核，即α粒子。
由此我们看到，在这个循环反应链中，碳核和氮核永远会重新产生，所以用化学家的话来说，它们仅发挥催化剂的作用。这个反应链的最终结果是：相继进入该循环的四个质子变成了一个氦核。因此，我们可以将整个过程描述为：在高温条件下，伴随碳和氮的催化作用，氢嬗变为了氦。
贝特也证明了，这一循环反应链在2 000万度的高温下释放的能量，正好等于太阳实际辐射的能量；而所有其他可能的反应都未能呼应天体物理学的证据，可见，碳氮循环无疑正是太阳能产生的主要原因。在此还应注意，在太阳的内部温度下，图11-5所示的完整循环需要约500万年的时间，这段时期结束时，最初进入反应的每个碳（或氮）核都会完好如初地从反应中出来。
鉴于碳在此过程中发挥的基本作用，那个说“太阳热量来自于煤”的原始观点也不能说是错的，只是现在我们知道了，这里的“煤”并不是真正的燃料，而是充当了神话中“不死鸟”的角色。
必须指出，虽然太阳这一释放能量的反应的速率主要取决于中心区域的温度和密度，但它一定也在某种程度上取决于太阳中氢、碳和氮的含量。这一点立刻为我们指出了一种方法，即通过调节所涉及的反应物质的浓度，使其完全契合观测到的太阳亮度，由此来分析太阳气体中的各种成分。近期，史瓦西先生基于这种方法进行了计算，他发现太阳中有超过一半的物质是纯氢，纯氦的含量略少于一半，除此之外，只有非常少量的其他元素。
对太阳能量释放过程的解释，可以很容易地扩展至大多数其他恒星。但由于质量不同，中心温度不同，恒星相应的能量释放速率也会不同。比如，恒星波江座O2-C的质量大约是太阳的五分之一，亮度只有太阳的1%左右。大犬座α（通常称天狼星）比太阳重2.5倍，亮度则是太阳的约40倍。还有一些巨大恒星，例如天鹅座Y380，它比太阳重约40倍，亮度是太阳的数十万倍。这些例子有一个共同点，即恒星质量越大，亮度越强，这也可以通过“碳循环”反应速率随着温度升高而提升这一点得到满意的解释。通过比较这些所谓的“主序”恒星，我们也发现恒星的质量越大，半径就越大（波江座O2-C的半径是太阳的0.43倍，天鹅座Y380的半径是太阳的29倍），密度则会减小（波江座O2-C的密度为2.5，太阳为1.4，天鹅座Y380为0.002），图11-6列出了主序恒星的一些数据。
图11-6 主序恒星
除了这些由质量决定半径、密度和亮度的“正常”恒星以外，天文学家还在空中发现了一些完全不理会这些简单规律的恒星类型。
首先是所谓的“红巨星”和“超巨星”，它们与“正常”恒星的质量和亮度相当，但尺寸大得多。图11-7给出了一组此类异常的恒星，包括著名的御夫座α、飞马座β、金牛座α、猎户座α、武仙座α和御夫座ε。
图11-7 红巨星和超巨星与太阳系的尺寸对比
这些恒星显然是被某些我们还无法解释的内作用力撑到了如今这样几乎令人难以置信的尺寸，这也导致它们的平均密度远远小于一切正常恒星。
还有一批恒星恰恰与这些“膨胀”恒星相反，体积缩得很小。其中一类被称为“白矮星”[5]，图11-8显示了白矮星与地球的对比。图中“天狼伴星”的质量几乎与太阳相当，但体积只比地球大三倍。因此，其平均密度一定比水大50万倍左右！毫无疑问，白矮星正是恒星演化的后期阶段，此时恒星中可用的氢燃料已被耗尽。
图11-8 白矮星与地球的对比图
正如我们在前面看到的，从氢到氦的缓慢的核反应构成了恒星的生命源泉。当恒星刚由弥散的星际物质凝聚而成时，其中的氢含量超过总质量的50%。可以想见，恒星的寿命非常漫长。例如，从观测到的太阳亮度，可计算出它每秒消耗6.6亿吨氢。鉴于太阳的质量为2×1027吨，其中有一半为氢，那么太阳的寿命将是15×1018秒，即大约500亿年！我们知道，太阳现在只有三四十亿岁，[6]可以说非常年轻，未来数十亿年，它仍会以与目前差不多的亮度在空中闪耀。
但是，恒星的质量越大，亮度越强，消耗氢的速度也越快。例如，天狼星的质量是太阳的2.3倍，因此它的氢燃料是太阳的2.3倍，但它的亮度却是太阳的39倍。也就是说，天狼星消耗氢的速度是太阳的39倍，而燃料供应只有太阳的2.3倍，因此只需30亿年，天狼星就会耗尽全部的氢。对于更亮的恒星，例如天鹅座Y380（质量是太阳的17倍，亮度是太阳的3万倍），用不了1亿年，氢原料就会耗尽。
当恒星的氢燃料最终耗尽时，会发生什么呢？
在恒星的漫长寿命中，当这种帮助恒星基本维持了现状的核能源耗尽时，恒星一定会开始收缩，接下来恒星的密度会越来越大。
天文观测发现宇宙中存在大量这样的“萎缩恒星”，它们的平均密度比水高出数十万倍。这些恒星仍然非常炽热，由于表面温度很高，它们会发出明亮的白光，与主星序中发黄光或红光的普通恒星形成鲜明对比。但由于这些恒星体积很小，因此总亮度很低，为太阳的数千分之一。天文学家称这些演化后期的恒星为“白矮星”，“矮”字既表示尺寸上的小，又表示亮度上的低。随着时间的流逝，白矮星会逐渐失去光芒，最终变成“黑矮星”，普通的天文观测难以捕获此类庞大的冰冷星体的踪迹。
还要指出一点，当这些恒星耗尽所有关键的氢燃料，进入收缩和逐渐冷却的阶段时，并不总会表现得安静而有序。这些行将就木的“恒星”在走完生命“最后一英里”时，往往会发生剧烈的震荡，仿佛在抵抗自己的命运。
这些灾变被称为新星爆发和超新星爆发，是恒星研究中最令人兴奋的主题之一。爆发前，这样的恒星和天上的其他恒星没什么区别，但几天内，它们的亮度会剧增数十万倍，表面会变得极端炽热。通过研究伴随亮度剧增的光谱变化，我们发现，它们在迅速膨胀，外层的膨胀速度高达每秒约2 000千米。但亮度的增加只是暂时的，过了最大值后，恒星就会慢慢冷静下来。恒星爆发后，通常要一年时间，亮度才会回到从前，但过了相当长时间后，仍可能观测到恒星辐射的微小变化。哪怕亮度恢复正常，其他部分也未必如此。爆发时迅速向外扩张的一部分恒星气体会继续向外运动，由此恒星外会出现一圈越来越厚的发光气体外壳。目前，关于恒星自身的永久性变化的证据尚不明确，因为我们只拍到了一次恒星爆发前的光谱情况（御夫座新星，1918年）。那张照片似乎也很不完美，难以准确判断出它爆发前的表面温度和半径。
通过对所谓超新星爆发的观测，我们对恒星爆发结果有了更明确的了解。此类巨大的恒星爆发在我们的银河系中几百年才发生一次（普通新星爆发约40年发生一次），而其亮度也会高出普通新星爆发数千倍。爆发高潮时，超新星的亮度几乎相当于整个银河系的亮度。1572年，第谷·布拉赫（Tycho Brahe）观测到的那颗能在大白天看到的恒星；1054年，中国天文学家记录下的客星，以及伯利恒之星，都是银河系中超新星爆发的经典例子。
1885年，人类在邻近的仙女座星云观测到了第一颗河外超新星，其亮度比人类在该星云中观测到的所有其他新星都要亮上千倍。尽管此类大爆发十分罕见，但近年来，巴德（Baade）和兹维基（Zwlcky）的观测让我们对它们的性质有了相当多的了解，这两人率先认识到这两种爆发之间存在巨大差异，并对出现在遥远河外星系的超新星展开了系统性研究。
尽管亮度存在巨大差异，但超新星爆发与普通新星爆发之间也有很多相似之处。两种爆发的亮度快速上升及随后逐渐减弱的曲线几乎一模一样，只是具体数值相差很大。和普通新星爆发一样，超新星爆发也会催生一个迅速膨胀的气体外壳，只是这个外壳在整个超新星质量中的占比要大得多。不过，新星产生的气体外壳会越来越薄，并迅速消散在周围的太空中，而超新星产生的气体团会在爆发范围内形成巨大的发光星云。例如，我们能在1 054年发生超新星爆发的位置看到所谓的“蟹状星云”，可以肯定，该星云正是由那次爆发排出的气体形成的（见图版Ⅷ）。
对于这颗超新星，我们还掌握了一些关于其爆发后残余恒星的证据。观测显示，蟹状星云的正中心有一颗黯淡的恒星，根据观测到的特性，它一定是一颗密度很高的白矮星。
所有这些都表明，超新星爆发和普通新星爆发的物理过程是相似的，只是前者在各方面的规模都大得多罢了。
在提出新星和超新星的“塌缩理论”之前，我们首先要想一想，是什么原因导致了整个恒星体发生如此迅速的收缩呢？目前比较完善的一种观点认为：恒星作为巨大而炽热的气体团块，之所以能处于平衡状态，完全是由内部高温材料的高气压支撑着的。只要前文所述的“碳循环”在恒星的中心持续着，表面辐射出的能量就会得到内部产生的亚原子能的补充，恒星的状态也就不会产生什么变化。但一旦氢完全耗尽，不再有亚原子能可用，恒星必然开始收缩，并将重力势能转化为辐射能。不过，由于恒星材料的导热性很差，热量从内部传至表面的过程非常缓慢，因此，这种重力收缩的过程也非常缓慢。据估算，太阳的半径收缩一半至少需要1 000多万年。任何加快收缩的尝试都会立即导致更多重力势能的释放，这会导致其内部的温度和气压升高，从而导致收缩放慢。由此可见，要想加快恒星的收缩，使其达到新星或超新星的快速坍缩程度，唯一的办法就是设计出某种机制，将其收缩释放的能量从内部消除。例如，如果我们能将恒星物质的导热性提高数十亿倍，收缩的速度自然会提高相应的倍数，如此一来，一颗恒星将在几天内完成塌缩。但是，当前的辐射理论明确显示，恒星物质的导热性可借由密度和温度求出，别说提高几十亿倍了，提高几百甚至几十倍都难上加难，既然如此，上述可能性也就被排除了。
最近，我和我的同事申贝格（Schenberg）博士提出，恒星坍缩的真正原因是中微子的大量形成，我们曾在第七章详细讨论过这种微小的核粒子。显然，中微子正是从收缩的恒星内部移走多余能量的理想窃贼，我们知道，恒星体对于中微子而言，就像玻璃对于普通阳光而言，是完全透明的。不过，收缩恒星的炽热内部到底能否产生中微子，以及能否产生足够数量的中微子，目前还有待观察。
各种元素的原子核在俘获高速电子时都会释放中微子。当高速电子穿透原子核，一个高能中微子会立刻被发射出去，电子会留在原子核内，由此，原来的原子核就会转变为一个原子量相同的不稳定核。由于不稳定，这个新形成的核只能存在一段时间，随后就会发生衰变，释放出一个电子和另一个中微子。然后，这个过程又会从头开始，再次导致一个新的中微子被释放出去……（图11-9）
图11-9 在铁原子核中发生的尤卡过程[7]可以无止境地产生中微子
如果温度和密度足够高，比如在收缩的恒星内部，中微子发射所造成的能量损失会非常高。例如，铁原子核对电子的捕获和再发射会转化为大量的中微子能：高达每秒每克1 011尔格[8]。如果换成氧（其不稳定的产物是放射性氮，衰变期为9秒），恒星失去的能量甚至会高达每秒每克1017尔格。在这种情况下，由于能量损失如此之快，恒星只需25分钟就会完成塌缩。
综上所述，一颗收缩恒星的炽热的中心区域开始出现中微子辐射，这一点完全能解释恒星塌缩的原因。
但还是要说，尽管通过发射中微子产生的能量损失率可以相对容易地估算出来，但对塌缩过程本身的研究还面临众多数学麻烦，因此目前为止，我们只能给出某种定性解释。
可以想象，由于恒星内部缺少气压，构成恒星巨大外层的物体会在重力作用下向中心下落。但是，由于恒星通常都处于相对快速的旋转之中，因此坍缩的发展会是不匀称的，极地的物质（即位于旋转轴附近的物质）会率先坠落，并将赤道上的物质向外推挤（图11-10）。
图11-10 超新星爆发的早期和末期
这个过程会让之前深埋在恒星内部的物质被推向表面，温度则会升高至数十亿摄氏度，正是这一点导致了恒星亮度的骤增。这个过程继续下去，“老”恒星塌缩的部分会在中心处浓缩成密度很高的白矮星，而被推挤出的物质则会逐渐冷却，并继续膨胀，形成蟹状星云的那种云雾状的东西。