2．太阳的生命周期

从天文观测的角度看，恒星是会发光的天体，而行星只是反射或折射恒星发出的光线而已。恒星发光的原因是因为它内部的热核反应。公众熟知的核反应例子是世界上各个大国掌握的核武器：原子弹和氢弹。前者的物理过程叫做“核裂变”，后者则叫做“核聚变”。裂变指的是一个大质量的原子核（例如铀）分裂成两个较小的原子核；聚变则是由较轻的原子核（例如氢）合成为一个较重的原子核，比如说氢弹就是使得氢在一定条件下合成中子和氦。无论是裂变还是聚变，原子核的质量都发生了变化。爱因斯坦的狭义相对论认为质量和能量是同一属性的不同表现，它们可以互相转换。核反应中有一部分静止质量转化成巨大的能量，并被释放出来，这就是为什么核武器具有巨大杀伤能力的原因。太阳内部所发生的，便是与氢弹原理相同的核聚变。

核聚变发生条件很苛刻，需要超高温和超高压。在地球上人为地制造这种条件不是那么容易，但在太阳的核心区域中却天然地提供了这一切。那里的物质密度很高，大约是水密度的150倍，温度接近1500万℃。因此，在太阳核心处进行着大量的核聚变反应，如图1-2-1（a）所示。

太阳内部的核反应会产生携带着大量能量的伽马射线，也就是光子，同时也产生另外一种叫做中微子的基本粒子。因而，在我们的宇宙中，不仅飞舞着各种频率的光子（电磁波），也飞舞着大量的中微子！中微子字面上的意思是“中性不带电的微小粒子”，是20世纪30年代才发现的一种基本粒子。中微子有许多有趣的特性，有待人们去认识和研究。比如说，科学家们原来认为中微子和光子一样没有静止质量，但现在已经认定它有一个很小的静止质量。

太阳核心球的半径只有整个半径的1/5~1/4。核心之外的辐射区中充满了电子、质子等基本粒子。当光子和中微子在太阳内部产生出来后，它们的旅途经历完全不一样。光子是个“外交家”，与诸多基本粒子都有“交往”，它们一出太阳核心区，旅行不到几个微米便会被核心外的等离子体中的基本粒子吸收，或从原来高能量的伽马射线转化成能量更低的光子，并散射向四面八方。说起来你会难以相信，一个光子如此经过反反复复的曲折迂回的路线之后，平均来说，要经过上万年到十几万年的时间 ^[5] ，才能从太阳核心到达太阳表面，继而再飞向宇宙，照耀太阳系，促成地球上的“万物生长”。当光子来到太阳表面时，已经不仅仅是伽马射线，而是变成了很多波段的电磁波。太阳表面的温度相对于核心处1500万℃的高温而言，也已大大降低，只有6000℃左右。

中微子则大不相同，见图1-2-1（b），它不怎么和其他的物质相互作用。因而，它在被核聚变产生出来之后，2s左右便旅行到了太阳表面，从太阳表面逃逸到太空中去了。所以，非常有趣，当我们在地球上同时接收到从太阳辐射来的光子和中微子时，它们的年龄可是相差太大了：中微子是个太阳核心的“新生儿”，光子却是多少万年之前核聚变的“骨灰级”产物了。

无论如何，太阳系大家庭的能量来源是太阳核心的核反应。每1s聚变反应都会将超过400万t的物质（静止质量）转化成能量。如此一来，科学家们不由得担心起来：

太阳以如此巨大的速度“燃烧”，还能够烧多久呢？

像太阳这类恒星的生命周期和演变过程取决于它最初的质量。大多数恒星的寿命在10亿岁到100亿岁之间。粗略一想，你可能会认为质量越大的恒星就可以燃烧更久，便意味着寿命更长。但事实却相反：质量越大寿命反而越短，质量小的却会细水长流，寿命反而更长。比如说，一个质量为太阳60倍的恒星，寿命只有约300万年；

而质量是太阳一半的恒星，预期的寿命可达几百亿年，比现在宇宙的年龄还大。

就我们的太阳而言，其生命周期可参考图1-2-2。

由图1-2-2可见，太阳是在大约45.7亿年前诞生的，目前“正值中年”。太阳在45亿年之前，是一团因引力而坍缩的氢分子云。科学家们使用“放射性定年法”得到太阳中最古老的物质是45.67亿岁，这点与估算的太阳年龄相符合。

恒星的年龄与恒星的质量有关，其原因是因为“引力”在恒星演化中起着重要的作用。描写引力作用的理论有牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论。这两个理论被应用在引力较弱的范围时，结果是一致的；但对于强引力场，或者是宇宙大尺度现象时，必须使用广义相对论，才能得出正确的结论。

世界的万物之间都存在引力，引力使得两个质量互相吸引。在一个系统中，如果没有别的足够大的斥力来平衡这种引力的话，所有的物质便会因为引力吸引而越来越靠近，越来越紧密地聚集在一起。并且，这种过程进行得快速而猛烈，该现象被称为“引力坍缩”。在通常所见的物体中，物质结构是稳定的，并不发生引力坍缩，那是因为原子中的电磁力在起着平衡的作用。

恒星在形成和演化过程中也存在引力坍缩。所有恒星都是从由气体尘埃组成的分子云坍缩中诞生的，随之凝聚成一团被称为原恒星的高热旋转气体。这一过程也经常被称作引力凝聚，凝聚成了原恒星之后，其发展过程则取决于原恒星的初始质量。因为太阳是科学家们最熟悉的恒星，所以在讨论恒星的质量时，一般习惯将太阳的质量看成是1，也就是用太阳的质量作为质量单位。

质量大于太阳质量1/10的恒星，自身引力引起的坍缩将使得星体核心的温度最终超过1000万℃，由此启动质子链的聚变反应，即由氢融合成氘，再合成氦，同时有大量能量从核心向外辐射。

当星体内部辐射压力逐渐增加，并与物质间的引力达成平衡之后，恒星便不再继续坍缩，进入稳定的“主序星”状态。太阳现在便是处于这个阶段，如图1-2-2所示。太阳的主序星阶段很长，有100亿年左右。截至目前，太阳的生命刚走了一半，所以人类还可以稳当地继续生活50多亿年，大可不必焦虑。

质量太小（小于0.08个太阳质量）的原恒星，核心温度不够高，启动不了氢核聚变，就最终成不了恒星。不过如果能进行氘核聚变的话，便可形成棕矮星（或称褐矮星，看起来的颜色在红棕色之间）。如果连棕矮星的资格也够不上，便只有被淘汰的命运，无法自立门户，最终只能绕着别人转，变成一颗行星。

不过，恒星核心内部的氢，即热核反应的燃料，终有被消耗殆尽的那一天。对太阳而言，从现在开始，温度将会慢慢升高。当太阳到达100亿岁左右，它内部的氢被烧完了，但是内部的温度仍然很高，于是开始烧外层的氦。此时太阳会突然膨胀起来，体积增大很多倍，形成红巨星。那时候，地球的灾难就会来了，它将和太阳系的其他几个内层行星一起，被太阳吞掉。不过，那已经是50亿年之后的事，也许人类的科学技术已经发展到很高的程度，人类早已搬离了太阳系，去到了一个安全的地方。

太阳最后的结局是白矮星，或者再到黑矮星。这里我们用“矮”字来表示那种体积小但质量大的天体。天文学中有五类小矮子：黄矮星、红矮星、白矮星、褐矮星、黑矮星。不过，天体物理中，人们最感兴趣的是白矮星。

人类对恒星的研究始于太阳，但不止于太阳。特别是，恒星的生命周期长达数十至数百亿年，它们的进化过程缓慢。我们看到的太阳天天如此、年年如此，好像世世代代都如此，如果仅仅从太阳这一个恒星的观测数据，很难验证图1-2-2中对太阳生命周期（大约140亿年）的描述。人的一生中无法观察到太阳的诞生过程，也无法看到它变成红巨星和白矮星时候的模样。任何人所能看到的，只不过是太阳生命过程中极其微小的时段。

科学家总能够找到解决问题的办法。宇宙中除了太阳之外，还有许多各种各样的恒星，有的与太阳十分相似，有的则迥然不同。它们分别处于生命的不同时期，有的还是刚刚诞生的“婴儿”恒星；有的正在熊熊燃烧自己的生命之火，已经到了青年、中年或壮年；也有短暂但发出强光的红巨星和超新星；还有一些已经走到生命尽头的“老耄之辈”，变成了一颗“暗星”，这其中包括白矮星和中子星，或许还有从未观察到的“夸克星”。此外还有黑洞，它们是质量较大的恒星的最后归宿，可比喻为恒星老死后的尸体或遗迹。观测和研究这些形形色色的处于不同生命阶段的恒星，能给予我们丰富的实验资料，不但能归纳得到太阳的演化过程，还可用以研究其他星体、星系，以及宇宙的演化。 JAq3DIRO1y28vndSQDz3umxqnqFwlfOEAtilwG258RCs33+5vNvYsqZS5HT2h1Mx