宇宙的凤凰
 柯南
埃及神话中的凤凰每经过500年就会把自己投入火中。在火中，凤凰得以重生。 在宇宙中也有类似的事件——并且我敢保证，在你看这篇文章的时候，它们就在发生着。它们的命运几乎在出生的时候就已经注定了：有的度过平凡的一生，经过上百亿年然后完全销声匿迹；有的会给宇宙留下鲜艳的“花环”；有的会带来宇宙间最激烈、暴力的事件，在剧烈的爆炸中，它们灰飞烟灭；有的最终产生了宇宙之心，一个吞噬物质的无底洞；有的却注定从来不会成功，暗淡的无人知晓。它们死后，身体成为了新一代的一部分。
这就是宇宙间最平凡、最普遍的故事；一个——或者说无数个——正在发生的故事。我们的世界、我们的生活，甚至我们这个物种本身都与这个故事有关。故事的主角，叫做恒星。
恒星的摇篮
没有一个人、没有一个天文学家能亲眼目睹一颗恒星的演化全过程——没有人能够那么长寿。但是，天空中遍布着数以十亿计的恒星，它们有的是婴儿、有的是青年、有的行将就木。通过观察处于不同演化阶段的恒星，我们完全能够了解恒星一生的奥秘。
假如我们的寿命可以与恒星的寿命相比拟，或者，如果把恒星的一生压缩到几分钟的时间内，那么我们又会看到怎样的一番景象呢？
不管恒星看起来多么明亮而不可一世，它们都诞生在朦胧、稀薄的星云中。星云是恒星的摇篮。因为某种原因，例如物质分布得不均匀，或者外界的扰动，稀薄的气体在引力的作用下慢慢聚集起来。起初，星云中每立方厘米可能只有数千个分子（地球表面附近每立方厘米的空气分子是它的1019倍以上）。只要星云足够大，它总能依靠万有引力收缩起来。
M16 鹰状星云的局部，一颗恒星正在形成。©NASA/HST
星云在收缩的过程中，引力势能转化成为了内能，简单的说，星云中的气体变热了。原先，星云的温度可能只有10K（—263摄氏度）；现在，它的温度可能高达数千度，显现出鲜艳的色彩。在引力的不断作用下，星云的某一区域变得越来越稠密，甚至可能分裂成好几块——每一块都可能成为一颗恒星。大约经过10万年的时间，我们的太阳的前身——太阳的原恒星出现了。原恒星并不是真正的恒星，因为它们并不依靠核反应发光发热。使它们自身温度不断升高的源泉仍然来自收缩导致的引力势能释放。原恒星继续收缩下去，直至核心温度升高到1000万度，这时，恒星的舞台生涯才正式开始。
宇宙中有幸运儿，也有倒霉蛋，这一点也不奇怪。质量小于太阳质量0.08倍的原恒星就不太走运：他们永远也没有登台演出的机会，因为它们的质量太小，不能引发核心的核聚变。当收缩释放出的能量耗尽的时候，它们也就销声匿迹了。天文学家把这类不走运的天体称作褐矮星。
在主星序的舞台上
引力和压力是恒星永远躲不开的两个死对头。引力把物质聚集在了一起，引力让恒星核心的核聚变得以发生。但是当引力逐渐显现它的威力的时候，恒星内部的压力也开始行动。压力是核反应产生的。你可以设想，加热一个装有空气的钢瓶，钢瓶内部的压力就会上升，直至爆炸。当引力和压力刚好抗衡的时候，恒星就能保持稳定，于是，它登上了主星序的舞台。
“主星序”是所谓的赫—罗图（恒星的绝对星等和温度的关系图）上的一个带状区域。处在这个区域的恒星就是主序星。主序星是恒星的“正常”阶段，我们看到的大多数亮星都是主序星，包括我们的太阳。所谓“正常”是指它们的核心都在进行着由氢聚变为氦的核反应。
当主序星核心的温度超过1000万度的时候，它主要进行的是质子—质子反应，反应的最终结果是4个质子结合形成了1个氦原子核，同时放出能量。如果温度高于2000万度，那么碳元素也会参与进来帮助反应，当然，结果与前者相同。
恒星能够稳定存在要归功于引力和压力的对抗。压力阻止引力把恒星进一步缩小，引力阻止压力把恒星炸的四分五裂。可以想象，假如恒星膨胀，那么核反应产生的热量就会减少，压力降低。这时，引力就会起作用，压制这种膨胀，反之亦然。
恒星在主星序上存在的时间取决于它的质量。不过，质量和寿命的关系有点让人出乎意料。质量越大，恒星的寿命越短。例如，太阳能在主星序生存100亿年，而质量是太阳8倍的恒星却只能在主星序生存2000万年。恒星世界的暴发户总是昙花一现。
主星序是恒星一生中最美好的阶段，正如青年是我们人生中最美好的阶段。但是恒星核心的氢总有消耗殆尽的一天。于是，恒星开始进入悲壮的晚年。
质量的抉择
走完主星序旅程的恒星拥有一颗氦心，它会继续吞噬外围的氢，产生的热量让恒星的外壳膨胀。天文学家把它叫做红巨星。当太阳变成红巨星的时候，将会膨胀到水星轨道直径那么大。（毫无疑问，到时候水星将不复存在，而地球上的海洋也将被蒸发殆尽。）由于中心核反应的减弱，恒星的核心收缩，这样反而使核心温度升高。当温度足够高的时候，氦元素也开始聚变。像太阳这样的恒星，红巨星阶段大约会经过10亿年。最终，红巨星因为核燃料消耗殆尽而变成了白矮星，一种主要由氦和碳组成的致密天体，太阳形成的白矮星只有地球那么大。在从红巨星到白矮星的过渡阶段，恒星的外壳向外扩散，形成所谓的行星状星云——宇宙中最美丽的景象之一。白矮星慢慢冷却，最终形成不发光、不发热的黑矮星。恒星的一生就这样结束了
Eyes on me:NGC 6751，“眼睛”星云，一个行星状星云。©NASA/HST
不过，并不是所有的恒星都会这样度过它的后半生。经历刚才这种情况的恒星质量不能超过8个太阳质量。而且，质量小于0.4个太阳质量的恒星的死亡过程更平静，不会出现行星状星云。
超过8个太阳质量的恒星迅速的走完自己的青年时代，然后——如同前面的例子那样——开始进行氦核聚变。这种聚变会沿着元素周期表一直进行下去，随后还有氧和氖的聚变、钙的聚变等等（是否有点古怪？）。恒星需要聚变维持压力、抵抗引力产生的收缩。不过，越到最后这些核燃料就越不顶用。例如，一个8倍太阳质量的恒星拥有的氖燃料可以“燃烧”一年，而硅燃料只能燃烧一天。不用担心后面的故事，因为硅燃料是这种饮鸩止渴式的核反应的尽头：硅核聚变的产物是铁。但是铁核聚变不再是赚钱的买卖，因为铁的核聚变需要吸收能量（铁之后的元素都是这样）。于是，恒星的核心再也不能依靠核聚变产生压力。压力败下阵来，而引力大举反攻。恒星猛烈的向核心坍塌（几乎是自由落体）。把核心变成了一个中子球。正在下落的物质与被核心反弹回的物质相遇，整个恒星的外壳都被这种冲击波炸飞。这就是超新星的爆发（严格的说，这是对II型超新星的描述）。
当超新星爆发结束以后，爆炸中心出现了一个中子星，或者一个黑洞——宇宙间真正的无底洞。这种爆发也填补了元素周期表上铁之后的空白——至少填充到了铀元素。这种爆发是宇宙间最暴力的事件之一，不过，也是很罕见的事件。在我们的银河系，每一百年也不会观测到几颗超新星爆发。如果你生于1987年之前，那么你就幸运的经历了一次几百年不遇的超新星爆发——超新星1987A。
重生的凤凰
当大爆炸发生之初，宇宙间只有氢、氦这样的元素，至多还含有锂。而元素周期表上的其他大多数元素都是由恒星产生的。当恒星死亡时，这些重元素（天文学家的“重元素”是比氦的原子序数大的元素）就会扩散到宇宙中，参与下一次的恒星演化。从这个意义上来说，它们就是宇宙的凤凰。
如果你听到这样一种描述，会不会产生奇妙的感觉：我们——以及地球上的所有生命都要感谢已经死去的恒星。正是它们制造了产生生命的必要元素，例如，我们是有机体，因此需要碳，给人体各部分输送氧气（这也是恒星制造的）需要铁。骨骼需要钙，我们还需要很多“稀有”的元素（相对宇宙间占绝大部分的氢和氦而言）。因此，一个年轻的宇宙不太可能产生生命——至少不可能产生像我们这样的生命。我们离不开电脑，感谢恒星为我们制造了硅！有人视金银为幸福的象征（尽管从自然角度讲，金银并无价值，我也怀疑它与幸福的因果关系），把它们制造成首饰或者餐具。然而你有没有想到，你的金项链是很久以前超新星剧烈爆发的产物？
大约在50亿年前，在一片稀薄、朦胧的星云中，因为某种因素——很可能是一次超新星爆发的扰动——物质开始聚集起来。这颗恒星没有伴星（其实这是少见的情况，宇宙间的恒星大多数是双星或者聚星系统），但是在它的周围慢慢聚集产生了行星——其中一些恒星是由注定要孕育生命的重元素组成的。这颗恒星，就是我们的太阳。
当我们思考恒星命运的时候，组成我们身体本身的物质变来自于数十亿年已经死去的恒星。宇宙与我们有着这样简单而直接的联系。尽管我们不能直接深入恒星的内部观察它的活动，理论和实验都表明，我们这种活着的恒星物质，能够理解这宇宙中的凤凰。
封面说明：本期封面的图片是由哈勃太空望远镜拍摄的蜘蛛星云（Tarantula Nebula）局部。画面的左下角是天文学家所谓的“霍奇301”区域。在这个区域中曾有数颗超新星爆发，把星云撕扯成了细丝状，而且还有三颗红超巨星等待爆发，在蜘蛛星云的其他区域中，一些年轻的恒星正在形成。我们在同一个星云中目睹了恒星的出生和死亡，而不必等待数亿年。 |
|
