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了解宇宙知识有什么用?

2017-09-18  gaoge5626
我们处在一个科学发达的时代,我们对身处的宇宙有了一些最基本的认识。虽然这些认识不完善,而且值得怀疑,但却是人类助继续认识宇宙的基石。了解这些知识,不仅仅能够增加我们的知识,也能够帮助我们转变思考的角度。

  天体


  什么是天体?辞书是这样解释的:天体是宇宙间各种物质客体的统称。包括太阳、地球、月亮和其他恒星、卫星、着星、流星、宇宙尘埃等。

  天体是人们可以看到的。到目前为止,人类目力可及的天体还是少而又少,欲识庐山真面目,我们还要努力。

  人们从未放弃发现新天体的努力,从古到今,观测手段越来越先进,但总有目力不及的地方。人类的技术能力总是落后于认识能力,只能脚踏实地,一来。

  据国外媒体报道,有关“大爆炸”之后出现的最初物体的最新证据开始让科学家们展开了热烈讨论,它们到底会是什么。研究人员称,充当最初的宇宙“焰火”角色的可能是恒星或是类星体,但是还不确定到底是哪一种。


  利用美国国家航空航天局斯皮策太空望远镜,研究人员分析了来自太空深处的红外线辐射。他们首先将前景中新生星系的明亮图像去除掉,以便发现古老的背景光芒。这些研究人员在红外线背景辐射中发现了一些色块,他们相信这些色块来自于“大爆炸”后的最初物体。卡什林斯基博士说:“观测这些宇宙红外线背景辐射就像是在一个明亮的城市中欣赏远处的焰火。”研究人员说他们将把早期恒星发射出的光线分离出来。


  同时,他们也指出,发出光芒的早期物体也可能是一些类星体一大型黑洞,它们消耗掉大量的气体与碎片并重新以强烈的能量爆发形式喷发出物质。

  卡什林斯基博士称,“我们无法说明‘火焰’中的每一个火花,我们只能够看到大型的结构和它们的光芒。”澳大利亚国立大学的天体物理学家米歇尔·贝塞尔教授指出,这是因为他们缺乏具有足够分辨率的仪器。他指出,科学家们已经证实我们可以看到宇宙最早的恒星形成时期的景象,这是非常令人兴奋的。但是,重要的问题是我们到底在看什么物体。贝塞尔称,“如果遥远的‘焰火’是类星体的话,那么这意味着最初的恒星会形成得更早一些。类星体是星系的中心,而星系被认为是在最初的恒星形成的较晚阶段才形成的。”天文学家认为,在宇宙早期,恒星变得非常之大,因为他们包含着更少的金属成分。卡什林斯基博士及其团队称,如果他们看到的是恒星的话,这些恒星必定极其明亮,体积将超过我们太阳的一千倍。

  卡什林斯基博士的问题是:“最大的恒星能是什么样呢·”找到答案将是十分令人兴奋的事情。贝塞尔指出,下一代的斯皮策太空望远镜或是“平方千米望远镜阵列”将有助于破解这些遥远目标的真相。


  宇宙


  宇宙,是我们所在的空间,“宇”字的本义就是指上下四方。地球是我们的家园,而地球仅是太阳系的第三颗行星。而太阳系又仅仅定居于银河系巨大旋臂的一侧,而银河系,在宇宙所有星系中,也许很不起眼……这一切,组成了我们的宇宙。宇宙,是所有天体共同的家园;宇宙,又是我们所在的时间。“宙”的本意就是指古往今来。因为,我们的宇宙不是从来就有的,它也有着诞生和成长的过程。现代科学发现,我们的宇宙大概形成于200亿年以前。在一次无比壮观的大爆炸中,我们的宇宙诞生了!(这就是著名的“大爆炸”理论。)宇宙一经形成,就在不停地运动着。科学家发现,宇宙正在膨胀着,星体之间的距离越来越大。宇宙的明天会怎样?许多的科学家正为此辛勤工作着。这也许永远是一个谜,一个令人无限神往的谜。

  黑洞


  “黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然。所谓“黑洞”,就是这样一种天体:它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来。

  根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

  等恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,似乎就再不能逃出。实际上真正的黑洞是“隐形”的。

  那么,黑洞是怎样形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。


  当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。

  质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于3倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

  这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径),巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系一一“黑洞”诞生了。

  与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了。例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是一一弯曲的空间。我们都知道,光是沿直线传播的,这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。


  这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

  在地球上,由于引力场作用很,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落人黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。

  更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其他方向发射的光也可能被附近黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面,甚至后背!

  “黑洞”无疑是21世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。不过,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

  星云


  当我们提到宇宙空间时,我们往往会想到那里是一无所有、黑暗寂静的真空。其实,这不完全对。恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的,但远不是真正的“真空”,而是存在着各种各样的物质。这些物质包括星际气体、尘埃和粒子流等,人们把它们叫做“星际物质”。

  星际物质与天体的演化有着密切的联系。观测证实,星际气体主要由氢和氦两种元素构成,这跟恒星的成分是一样的。人们甚至猜想,恒星是由星际气体“凝结”而成的。星际尘埃是一些很小的固态物质,成分包括碳合物、氧化物等。

  星际物质在宇宙空间的分布并不均勻。在引力作用下,某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来,形成云雾状。人们形象地把它们叫做“星云”。按照形态,银河系中的星云可以分为弥漫星云、行星状星云等种。

  弥漫星云正如它的名称一样,没有明显的边界,常常呈不规则形状。

  它们的直径在几十光年左右,密度平均为每立方厘米10—100个原子(事实上这比实验室里得到的真空要低得多)。它们主要分布在银道面附近。比较著名的弥漫星云有猎户座大星云、马头星云等。

  行星状星云的样子有点像吐的烟圈,中心是空的,而且往往有一颗很亮的恒星。恒星不断向外抛射物质,形成星云。可见,行星状星云是恒星晚年演化的结果。比较著名的有宝瓶座耳轮状星云和天琴座环状星云。

  新星


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  有时候,遥望星空,你可能会惊奇地发现:在某一星区,出现了一颗从来没有见过的明亮星星!然而仅仅过了几个月甚至几天,它又渐渐消失了。

  这种“奇特”的星星叫做新星或者超新星。在古代又被称为“客星”,意思是这是一颗“前来做客”的恒星。

  新星和超新星是变星中的一个类另一J。人们看见它们突然出现,曾经一度以为它们是刚刚诞生的恒星,所以取名叫“新星”。其实,它们不但不是新生的星体,相反,而是正走向衰亡的老年恒星。其实,它们就是正在爆发的红巨星。我们曾经不止一次提到,当一颗恒星步入老年,它的中心会向内收缩,而外壳却朝外膨胀’形成一颗红巨星。红巨星是很不稳定的,总有一天它会猛烈地爆发,抛掉身上的外壳,露出藏在中心的白矮星或中子星来。

  在大爆炸中,恒星将抛射掉自己大部分的质量,同时释放出巨大的能量。这样,在短短几天内,它的光度有可能将增加几十万倍,这样的星叫“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些,它的光度增加甚至能超过1000万倍,这样的恒星叫做“超新星”。

  超新星爆发的激烈程度是让人难以置信的。据说它在几天内倾泻的能量,就像一颗青年恒星在几亿年里所辐射的那样多,以至它看上去就像一整个星系那样明亮!


  新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星辉煌的葬礼,同时又是新生恒星的推动者。超新星的爆发可能会引发附近星云中无数颗恒星的诞生。另一方面,新星和超新星爆发的灰烬,也是形成别的天体的重要材料。比如说,今天我们地球上的许多物质元素就来自目卩些早已消失的恒星。

  白矮星


  白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小,亮度低,但质量大、密度极高。比如天狼星伴星(它是最早被发现的白矮星),体积比地球大不了多少,但质量却和太阳差不多!也就是说,它的密度在1000万吨/立方米左右。

  根据白矮星的半径和质量,可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万到10亿倍。在这样高的压力下,任何物体都已不复存在,连原子都被压碎了:电子脱离了原子轨道变为自由电子。

  白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论,白矮星是在红巨星的中心形成的。

  当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力却强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿°c,于是氦开始聚变成碳。

  经过几百万年,氦核燃烧殆尽,现在恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混合物,而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其他元素。

  与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡:恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心密度实际上已经增大到每立方厘米10吨左右,我们可以说,此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。

  白矮星的密度为什么这样大呢?

  我们知道,原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。

  比如氢原子的半径为一亿分之一厘米,而氢原子核的半径只有十万亿分之一厘米。

  假如核的大小像一颗玻璃球,则电子轨道将在两千米以外。

  而在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质大大增多,大大提高了密度。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中。

  一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,维持着白矮星的稳定。顺便提一下,当白矮星质量进一步增大,简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:中子星或黑洞。

  对单星系统而言,由于没有热核反应来提供能量,白矮星在发出光热的同时,也以同样的速度冷却着。经过100亿年的漫长岁月,年老的白矮星将渐渐停止辐射而死去。它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体一黑矮星而永存。

  而对于多星系统,白矮星的演化过程则有可能被改变。

  中子星


  如果你为白矮星的巨大密度而惊叹不已的话,这里还有让你更惊讶的呢!我们将在这里介绍一种密度更大的恒星:中子星。

  中子星的密度为1X1011千克/立方厘米,也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨!对比起白矮星的几十吨方厘,不值一提了。事实上,中子星的质量是如此之大,半径10千米的中子星的质量就与太卩日的质量相当了。

  同白矮星一样,中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星,其质量更大罢了。根据科学家的计算,当老年恒星的质量大于10个太阳的质量时,它就有可能最后变为一颗中子星,而质量小于10个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

  但是,中子星与白矮星的区别,绝不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。

  简单地说,白矮星的密度虽然大,但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内:电子还是电子,原子核还是原子核。而在中子星里,压力是如此之大,白矮星中的简并电子压再也承受不起了:电子被压缩到原子核中,同质子中和为中子,使原子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。这,中子星就是一个巨大的原子核。中子星的就是原子的。

  在形成的过程方面,中子星同白矮星是非常类似的。当恒星外壳向外膨胀时,它的核受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化,最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。这就是天文学中著名的“超新星爆发”。

  恒星


  在地球上遥望夜空,宇宙是恒星的世界。

  恒星在宇宙中的分布是不均匀的。从诞生的那天起,它们就聚集成群,交映成辉,组成双星、星团、星系……恒星是在熊熊燃烧着的星球。一般来说,恒星的体积和质量都比较大。只是由于距离地球太遥远的缘故,星光才显得那么微弱。

  古代的天文学家认为恒星在星空的位置是固定的,所以给它起名“恒星”,意思是“永恒不变的星”。可是我们今天知道它们在不停地高速运动着,比如太阳就带着整个太卩日系在绕银河系的中心运动。但别的恒星离我们实在太远了,以至我们难以觉察到它们位置的。

  恒星发光的能力有强有弱。天文学上用“光度”来表示它。所谓“光度”,就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率。恒星表面的温度也有高有低。一般说来,恒星表面的温度越低,它的光越偏红;温度越高,光则越偏蓝。而表面温度越高,表面积越大,光度就越大。从恒星的颜色和光历史上,天文学家赫茨普龙和哲学家罗素首先提出恒星分类与颜色和光度间的关系,建立了被称为“赫一罗图”的恒星演化关系,揭示了恒星演化的秘密。“赫一罗”图中,从左上方的高温和强光度区到右下的低温和弱光区是一个狭窄的恒星密集区,我们的太阳也在其中;这一序列被称为主星序,90%以上的恒星都集中于主星序内。

  在主星序区之上是巨星和超巨星区。

  恒星诞生于太空中的星际尘埃(科学家形象地称之为“星云”或者“星际云”)。

  恒星的“青年时代”是一生中最长的黄金阶段一一主星序阶段,这一阶段占据了它整个寿命的90%。在这度,科学家能提取出许多有用信息来。

  段时间,恒星以几乎不变的恒定光度发光发热,照亮周围的宇宙空间。

  在此以后,恒星将变得动荡不安,变成一颗红巨星;然后,红巨星将在爆发中完成它的全部使命,把自己的大部分物质抛射回太空中,留下的残骸,也许是白矮星,也许是中子星,甚至是黑洞……就这样,恒星来之于星云,又归之于星云,走完了它辉煌的一生。

  绚丽的繁星,将永远是夜空中最美丽的一道景致。

  星团


  恒星往往成群分布。一般地,我们把恒星数在10个以上而且在物理性质上相互联系的星群叫做“星团”。比如金牛座中的“昴星团”“毕星团”,巨蟹座的“蜂巢星团”等。

  根据星团包含的恒星数、星团的形状和在银河系中位置分布的不同,星团又分为疏散星团和球状星团。疏散星团一般由十几到几千颗恒星组成,结构松散、形状也不规则。它们一般分布在银道面附近,所以也被称作“银河星团”。在银河系内发现的疏散星团目前有1000多个,其中包括刚提到的金牛座昴星团、毕星团。

  球状星团则由成千上万、多至几十万的恒星组成。它们聚集成球形,越往中心越密集。球状星团大多都分布在银河系中心方向。一个球状星团内的恒星差不多都是在同一时期形成的,它们的演化过程也大致相同。比较著名的如武仙座的球状星团,它由大约250万颗恒星组成,离我们大约2.5万光年。

  红巨星


  当一颗恒星度过它漫长的青壮年期一主序星阶段,步人老年期时,它将首先变为一颗红巨星。

  称它为“巨星”,是突出它的体积巨大。在巨星阶段,恒星的体积将膨胀到10亿倍之多。

  称它为“红”巨星,是因为在这恒星迅速膨胀的同时,它的外表面离中心越来越远,所以温度将随之而降低,发出的光也就越来越偏红。不过,虽然温度降低了一些,可红巨星的体积是如此之大,它的光度也变得很大,极为明亮。肉眼看到的最亮的星中,许多都是红巨星。

  在赫一罗图中,红巨星分布在主星序区的右上方的一个相当密集的区域内,差不多呈水平走向。

  我们来较详细地看看红巨星的形成。我们已经知道,恒星依靠其内部的热核聚变而熊熊燃烧着。核聚变的结果,是把每4个氢原子核结合成1个氦原子核,并释放出大量的原子能,形成辐射压。

  处于主星序阶段的恒星,核聚变主要在它的中心(核心)部分发生。辐射压与它自身收缩的引力相平衡。

  氢的燃烧消耗极快,并且中心形成的氦核不断增大。随着时间的延长,氦核周围的氢越来越少,中心核产生的能量已经不足以维持其辐射,于是平衡被打破,引力占了上风。有着氦核和氢外壳的恒星在引力作用下收缩,使其密度、压强和温度都升高。氢的燃烧向氦核周围的一个壳层里推进。

  这以后恒星演化的过程是:内核收缩、外壳膨胀一燃烧壳层内部的氦核向内收缩并变热,而其恒星外壳则向外膨胀并不断变冷,表面温度大大降低。这个过程仅仅持续了数10万年,这颗恒星在迅速膨胀中变为红巨星。

  红巨星一旦形成,就朝恒星的下一阶段一白矮星进发。当外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力却强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿c,点燃氦聚变。最后的结局将在中心形成一颗白矮星。

  白洞


  黑洞就像宇宙中的一个无底深渊,物质一旦掉进去,就再也逃不出来。根据我们熟悉的“矛盾”的观点,科学家们大胆地猜想到:宇宙中会不会也同时存在一种物质只出不进的“泉”呢?并给它取了个同黑洞相反的名字,叫“白洞”。

  科学家们猜想:白洞也有一个与黑洞类似的封闭的边界,但与黑洞不同的是,白洞内部的物质和各种辐射只能经边界向边界外部运动,而白洞外部的物质和辐射却不能进入其内部。形象地说,白洞好像一个不断向外喷射物质和能量的源泉,它向外界提供物质和能量,却不吸收外部的物质和量。

  白洞到目前为止,还仅仅是科学家的猜想,还没有观察到任何能表明白洞可能存在的证据。在理论研究上也还没有重大突破。不过,最新的研究可能会得出一个令人兴奋的结论,即“白洞”很可能就是“黑洞”本身!也就是说黑洞在这一端吸收物质,而在另一端贝U喷射物质,就像一个巨大的时空隧道。

  科学家们最近证明了黑洞其实有可能向外发射能量。而根据现代物理理论,能量和质量是可以互相转化的。这就从理论上预言了“黑洞、白洞一体化”的。

  要彻底弄清楚黑洞和白洞的奥秘,现在还为时过早。但是,科学家们每前进一点,所取得的成绩都让人激动不已。我们相信,打开宇宙之谜大门的钥匙就藏在黑洞和白洞神秘的身后。

  星系


  当遥望星空时,横贯天际、蔚为壮观的银河总能让人们欣然神往,思绪万千。仔细观察的话,我们也能看出银河实际上是由许许多多颗星星所组成的。在天文学中,我们把这种由千百亿颗恒星以及分布在它们之间的星际气体、宇宙尘埃等物质构成的,占据了成千上万亿光年空间距离的天体系统叫做“星系”。我们的太阳就是银河系中普通的一颗恒星。

  银河并不是宇宙中唯一的星系:通过各种方法,人们已经观察到的星系已经有好几万个了!不过,由于距离太遥远,它们看起来远不如银河那么壮丽。借助望远镜,它们看起来还只像朦胧的云雾。离咱们银河系最近的星系一大麦哲伦星云和小麦哲伦星云,距离我们银河系也有十几万光年。一般地,我们把除银河系以外的星系,统称为“河外星系”。

  星系在早期曾被归到星云中,直到1924年,在准确测定了仙女座星云(现应严格称为“仙女座河外星系”)的距离后,星系的存在才正式确立。

  星系的形状是多种多样的。我们可以粗略地划分出椭圆星系、透镜星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系这5种来。星系在太空中的分布也并不是均匀的,往往聚集成团。少的三两成群,多的则可能好几百个聚在一起。人们又把这种集团叫做“星系团”。

  星系和它内部的恒星都在运动中。我们都知道地球绕着太阳旋转,同时太阳也在绕银河系的中心运动,而同时银河系作为一个整体,本身也在运动着。在星系内部,恒星运动的方式有两种:它一面绕着星系的核心旋转,与此同时还在一定的范围内随机地运动(科学家称之为“弥散运动”)。

  星系的起源和演化,与宇宙诞生早期的演化密切相关。一般看法认为:当宇宙从猛烈的爆发中产生时,大量的物质被抛射到空间中。形成宇宙中的“气体云”。这些气体云本身处在平衡之中,但是在某种作用下,平衡被打破了,物质聚集在一起,质量高达今天太阳质量的上千亿倍!这些物质团后来在运动中分裂开,并最终形成无数颗恒星。这样,原始的星系就形成了。一般认为星系形成的时期在100亿年前左右。

  而关于星系的演化,历史上一度曾把星系形态的序列当成演化的序列,即认为星系从椭圆形开始,再逐渐发展成透镜型、旋涡型、棒旋型,最后变成不规则型。这种观点今天已基本上被推翻。目前的看法认为这一过程与恒星形成的力学机理相关,但也仍然停留在假说的阶段。

  双星


  对于天体物理学家来说,双星是能提供最多信息的天体,从双星可以得到比单个恒星更多的信息和恒星演化的秘密。

  在浩瀚的银河系中,我们发现的半数以上的恒星都是双星体,它们之所以有时被误认为是单个恒星,是因为构成双星的两颗恒星相距得太近了。它们绕共同的质量中心作圆形轨迹运动,以至于我们很难分辨它们,这其中包括著名的第一亮星天狼星。


  天狼星主星天狼A的质量为2.3个太阳质量,其伴星天狼B是一颗质量仅为0.98个太阳质量的白矮星。按照恒星的演化理论,质量大的恒星将很快演化,将首先耗尽其氢燃料;质量小的则有着很长的寿命。而一颗质量小于太阳的恒星从其诞生到白矮星至少要经过长达100亿年的历史。而天狼星A有2.3个太阳质量,应该比其伴星更快演化,但事实上此星明显正在进行氢燃烧,是一颗完全正常的恒星。质量大的恒星还没有耗尽氢燃料,而质量小的相反却已经耗尽了氢而处于寿命的后期。这种情况不是唯一的,英仙座的大陵五双星及其他很多恒星也有类似情况,这些对双星中都有一颗是白矮星或是中子星,甚至有可能是一个黑洞下面我们假设我们可以观测到一对双星的演变过程,作一次实地跟踪观狈扎最初,A星的质量为2·3个太阳质量,B星为1.5个太阳质量。这以后,正如单个恒星演化过程一样,质量较大的恒星演化得很快,A星首先消耗掉了大量的氢元素,其外层慢慢膨胀起来,而其内部已经形成了一个半径约为太阳几十分之一的白矮星氦核。当A星外壳开始进人B星的引力范围时,A星的表面物质开始受B星的引力离开A星表面流向B星表面。但由于两星相互公转以及B星的自转,流来的物质并不立即落在表面,而是先在B星周围随B星自转形成一个碟状气体盘,然后才能逐步降落在B星表面。于是A星不断有物质转移到B星,这使得A星的老化进程急剧加快,并以更快速度膨胀,甚至将B星的轨道吞没。这个过程将持续数万年。这以后,A星耗尽了它所有的剩余氢,而其巨大的外壳可以伸展到十几个太阳半径之外,但最终大部分将被B星所吸收。此刻,A星基本上全是由氦组成了,很快膨胀为一颗红巨星,其半径不断增大,质量仅仅剩下原来的1/5左右,而B星质量则增至原来的2倍多。这样’质量对比发生了明显变化:A星成了质量较小的致密的白矮星,而B星由于吸收了A星的大部分质量,体积增加了许多,成为双星中质量较大的恒星。在A星周围原来膨胀的外壳在失去膨胀力后一部分逐渐降落在小白矮星上,而B星正处于中年期,继续其正常恒星的演化。这就是我们现在看到的天狼星及其伴星的情况。

  这以后,这对双星继续演化,像原来一样,质量较大的恒星将以很快的速度进行演化,并在耗尽其内核附近的氢燃料后开始了膨胀,进人红巨星阶段。此时,A星的强大引力将慢慢对B星不断膨大的表面上的物质起作用,物质开始从B星表面迅速流向A星。像从前一样,流质在A星周围形成气体盘,并不断降落在A星表面。以后的时间里,B星由于丢失大量物质而缺少燃料迅速老化膨胀;A星则可能由于吸附了大量物质而塌陷成中子星甚至黑洞。B星将终于发生超新星爆发而结束其一生,把身体的大部分质量抛向宇宙,而在其中心留下一个致密的白矮星或中子星。

  一对双星就这样转化成一对仍然相互作用转动的白矮星、中子星或黑洞。由于其间复杂的引力作用,双星的演化过程比单个恒星要短得多。这些特点,使我们有机会看到恒星演化的更多奇观。

  共生星


  共生星是较新发现的一种类型的天体。共生星是单星还是双星,限于观测技术的制约还不能有结论。科学家们正日夜监视着这些星座,以期获得更多的信息。

  那是20世纪30年代的事情。当时天文学家在观测星空时发现了一种奇怪的天体,对它的光谱进行的分析表明,它既是“冷”的,只有两三千摄氏度;同时又是十分热的,达到几万摄氏度。也就是说,冷热共生在一个天体上。1941年,天文学界把它定名为“共生星”。它是一种同时兼有冷星光谱特征(低温吸收线)和高温发射星云光谱(高温发射线)的复合光谱的特殊天体。几十年来已经发现了约100个这种怪星。许多天文学家为解开怪星之谜耗费了毕生精力。我国已故天文学家、北京天文台前台长和茂兰早在20世纪四五十年代在法国就对美丽而又神秘的共生星星体进行过不少观测研究,在国际上有一定影响。此后,我国另一些天文学家也参加了这项揭谜活动。

  半个多世纪过去了,但它的谜底仍未完全揭开。

  最初,一些天文学家提出了“单星”说。认为这种共生星中心是一个属于红巨星之类的冷星,周围有一层高温星云包层。红巨星是一处于比较晚期的恒星,它的密度很小,而体积比太阳大得多,表面温度只有两三千摄氏度。可是星云包层的高温是从何而来的呢?人们却无法解释。太阳表面温度只有6000°C,而它周围的包层——日冕的物质非常稀薄,完全不同于共生星的星云包层。因此,太阳算不得共生星,也不能用来解释共生星之谜。

  也有人提出了“双星”说,认为共生星是由一个冷的红巨星和一个热的矮星(密度大而体积相对较小的恒星)组成的双星。但是,当时光学观测所能达到的分辨率不算太高,其他观测手段尚未发展起来,人们通过光学观测和红外测量测不出双星绕共同质心旋转的现象。而这是确定是否为双星的最基本特征之。

  在1981年所进行的学术讨论会上,人们只是交流了共生星的光谱和光度特征的观测结果,从理论上探讨了共生星现象的物理过程和演化问题。在那以后,观测手段有了很大发展。天文学家用X射线、紫外线、可见光、红外射电波段对共生星进行了大量观测,积累了许多资料。共生星之谜的帷幕在逐渐揭开。

  近些年,天文学家用可见光波段对冷星光谱进行的高精度视向速度测量证明,不少共生星的冷星有环绕它和热星的公共质心运行的轨道运动,这有利于说明共生星是双星。人们还通过具有高的空间分辨率的射电波段进行探测,查明了许多共生星的星云包层结构图,并认为有些共生星上存在“双极流”现象(从一个星的两个极区向外喷射物质)。现在,大多数天文学家都认为,共生星可能是由一个低温的红巨星或红超巨星和一个具有极高温度看不见的极小的热星以及环绕在它们周围的公共热星云包层组成。它是一种处于恒星演化晚期阶段的天体。

  有的天文学家对共生星现象提出了这样一种理论模型。共生星中的低温巨星或超巨星体积不断膨胀。其物质不断外溢,并被邻近的高温矮星吸积,形成一个巨大的圆盘,即所谓的“吸积盘”。吸积过程中产生强烈的冲击波和高温。由于它们距离我们太远,我们区分不出它们是两个恒星,而看起来像热星云包在一个冷星的外围。

  有的共生星属于类新星。类新星是一种经常爆发的恒星。所谓爆发是指恒星由于某种突然发生的十分激烈的物理过程而导致能量大量释放和星的亮度骤增许多倍的现象。仙女座z型星是这类星中比较典型的由一个冷的巨星和一个热的矮星外包激发态星云组成的双星系统,经常爆发,爆发时亮度可增大数10倍。它具有低温吸线和发线存的典型生星光谱的特征。但是双星说并未能最后确立自己的阵地。

  这其中一个重要原因是迄今为止未能观测到共生星中的热星。星体科学家只不过是根据激发星云所属的高温间接推理热星的存在,从理论上判断它是表面温度高达几十万°0的白矮星。许多天文学家都认为,对热星本质的探索,应当是今后共生星研究的重点方向之一。

  此外,他们认为,今后还要加强对双星轨道的测量,进一步收集关于冷星的资料,以探讨其稳定性。

  天文学家们指出,对共生星亮度变化的监视有重要意义。通过不间断的监视可以了解其变化的周期性,有没有爆发,从而有助于揭开共生星之谜。但是共生星光变周期有的达到几百天,专业天文工作者不可能连续几百天盯住这些共生星,因此,他们特别希望天文爱好者能共同来监视。

  揭开共生星之谜,对恒星物理和恒星演化的研究都有重要的意义。但要彻底揭开这个谜看来还需要付出许多艰苦的努力。

  脉冲星


  脉冲星就是高速旋转的中子星。地球自转一周是24小时,而脉冲星自转一周只需0.001337秒,可见它转得有多快。唯其如此,它才能发出被人类接收到的射电脉冲,从而被人类发现。如果人类没有发明射电望远镜,这类星不是就“藏在深闺人未识”了吗?

  人们最早认为恒星是永远不变的。而大多数恒星的变化过程是如此的漫长,人们也根本觉察不到。然而,并不是所有的恒星都那么平静。后来人们发现,有些恒星也很“调皮”,变化多端。于是,就给3卩些喜欢变化的恒星起了个专门的名字’叫“变星”。

  脉冲星,就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时,还是一名女研究生的贝尔,发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析,科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号,人们就把它命名为脉冲星。

  脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始,人们对此很困惑,甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说,第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。

  经过几位天文学家一年的努力,终于证实,脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且,正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。

  正如地球有磁场一样,恒星也有磁场;也正如地球在自转一样,脉冲星恒星也都在自转着;还跟地球一样,恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样,每当恒星自转一周,它的磁场就会在空间划一个圆,而且可能扫过地球。

  那么岂不是所有恒星都能发脉冲了?其实不然,要发出像脉冲星那样的射电信号,需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星,它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。

  另一方面,恒星体积越大、质量越大,它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球自转一周要24小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0.001337秒!要达到这个速度,连白矮星都不行。这同样说明,只有高速旋转的中子星,才可能扮演脉冲星的角色。

  这个结论引起了巨大的轰动。因为虽然早在20世纪30年代,中子星就作为假说而被提了出来,但是一直没有得到证实,人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象,在当时,人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。

  直到脉冲星被发现后,经过计算,它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样,中子星才真正由假说成为事实。这真是20世纪天文学上的一件大事。因此,脉冲星的发现,被称为20世纪60年代的四大天文学重要发现之一。

  至今,脉冲星已被我们找到了不少于1620颗,并且已得知它们就是高速自转着的中子星。

  脉冲星有个奇异的特性一短而稳的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样,一下一下出现短促的无线电信号,如贝尔发现的第一颗脉冲星,每两个脉冲间隔时间是1.337秒,其他脉冲还有短到0.0014秒的,最长的也不过11.765735秒。那么,这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢?天文学家已经探测、研究得出结论,脉冲的形成是由于脉冲星的高速自转。那为什么自转能形成脉冲呢?原理就像我们乘坐轮船在海里航行,看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动,灯塔每转一圈,由的灯就到们的船上一次。不断旋转,在我们看来,灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样,当它每自转一周,我们就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成一断一续的脉冲。脉冲这种现象,也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的。

  然而灯塔的光只能从窗口射出来,是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢?正是这样,脉冲星就是中子星,而中子星与其他星体(如太阳)发光不一样,太阳表面到处发亮,中子星则只有两个相对着的小区域才能辐射出来,其他地方辐射是跑不出来的。即是说脉冲星表面只有两个亮斑,脉冲星别处都是暗的。这是什么原因呢?原来,脉冲星本身存在着极大的磁场,强磁场把辐射封闭起来,使脉冲星辐射只能沿着磁轴方向,从两个磁极区出来,这两个磁极区就是中子星的“窗口”。

  脉冲星的辐射从两个“窗口”出来后’在空中传播,形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上,我们就能接收到辐射,且每转一圈,这束辐射就扫过地球一次,也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。

  灯塔模型是现在最为流行的脉冲星模型。另一种磁场振荡模型还没有被普遍接受。

  脉冲星是高速自转的中子星,但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时,我们就接收不到脉冲信号,此时中子星就不表现为星。

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