恒星之存与逝

没有永垂不朽的存在。一旦原始云中凝结的年轻原生星开始“聚合”氢气，就成为完全成熟的恒星。这种核反应，即4个氢原子撞在一起产生1个氦原子（和一点剩余的能量），是太阳的动力根源，同时又肩负着为地球上所有生命供能之责。这一反应需要难以想象的热量和压力才能发挥作用：带正电的氢原子在正常情况下会相互排斥，只有当你把它们挤压在一起，对其施以巨大的能量——如在恒星核约1300万度的条件下——才会快到真正发生碰撞，产生氦原子。

顺便说点题外话，其实这种理解并不完全正确。或者说结论是对的，但解释并不准确。如果你真正统计氢核加热到1300万度的能量，以及它们相互间的排斥力，就会发现即使这种极端高温也远远不够。如此多的能量能使原子核彼此逼近，但排斥力作用更大，以至于它们会在碰撞前最后一纳秒瞬间偏离飞散。那么，太阳是如何燃烧的呢？答案来自我们在第一章讨论过的奇怪属性：量子的波粒双重性。氢核和光子一样，可以被同时看作是一种波和一种粒子。迄今为止，我们一直将其看作粒子：仿佛太阳的中心互相撞击的台球。但是其波的特性意味着氢核的确切位置是有点模糊不定的：同时部分地存在于多个位置。因此，在非常罕见的情况下，两个撞击中的粒子因为量子的不确定性，会获取额外的推力，相当于瞬移而重叠，在彼此排斥之前就引发了反应。这种情况不仅非常非常奇怪（因为我们熟悉的世界中，物体不会自发瞬移），而且也非常非常罕见：这种情况发生的概率是“1”后面跟着28个“0”分之一：大约比1个月每周都中一次彩票的概率低100倍。但是太阳的氢气储备庞大，使得这种极不可能发生的事件上升为普遍，每秒就有数万亿次。虽然幽灵般的量子瞬移听起来很离奇，但没有它，星星就不会发光。

鉴于恒星是由氢组成的庞然大物——太阳的质量大约是地球质量的100万倍——恒星核反应堆可持续很长时间。比如，太阳有约100亿年的氢气储备，目前大约还剩一半。比太阳大的恒星燃烧也会更加灼热，并会更快地耗尽燃料。例如，一颗50个太阳质量的恒星只能持续聚变几百万年——天文上来看简直就是一眨眼的工夫。相比之下，小恒星的燃料效率要高得多。只有太阳一半大小的红矮星的预期寿命比目前宇宙的年龄还要长。

恒星一旦形成，且核内聚变开启，人们就认为该颗恒星处于“主序带”上。恒星此刻已开始欣然燃烧，慢慢地耗尽自己的燃料储备，并堆积氦原子（可以理解为是恒星反应堆留下的灰烬）。主序带是对常规成体恒星描述和分类的方法。太阳和宇宙中九成的恒星一样，同处主序带上。主序星固然非常重要，但等恒星生命到了尽头，事情才变得真正有趣，而濒死之星最引人注目的现象往往只能在红外波段观察。

主序星聚变过程中，处于内外两力量拉锯战的中心（与上述产生恒星的星云一样）。引力仍旧向内施加坍塌压力，想尽可能地把恒星压小。与引力相对的是充当恒星引擎的中心核聚变，反应产出向外膨胀的压力，防止恒星塌陷并维持恒星外形。一旦恒星燃料耗尽，平衡就会发生变化：引力未受影响，但是中央核反应不再有足够的燃料继续向外施压。因此，引力开始胜出，恒星开始塌陷，变得越来越小。正如上文所述，压缩会使物体变热（坍缩的分子云因此从开始就升温从而形成恒星）。如今，历史重现：濒死的恒星随着自身坍缩而升温。在这一点上，物理定律如同天外救星：首先，氦核周围遗留一层尚未耗尽的“氢壳”，随着压缩升温，再次触发聚变，延长恒星寿命。其次，氦（恒星燃烧后留下的无用“灰烬”）也可以用作核燃料——但前提是反应温度必须极高；氦原子之间的相互排斥比氢更加强烈，正常氢核聚变反应所需的1300万度的温度是无法支持氦聚变的，加温到1亿度左右方能开始，远远高于太阳的核心温度。如果濒死恒星坍缩程度很大，就会再次收缩升温，最终突破1亿度屏障，开始燃烧氦。

氦的聚合反应会释放出巨大的能量。随着新的氦核引擎启动，恒星所处拉锯战平衡再次转移，星体将膨胀到巨大的尺寸。这颗恒星此刻成为“红巨星”。当太阳成为红巨星时，将达到吞噬水星和金星的大小，并且差一点点就能咽下地球。 此刻，壮丽的现象即将发生。距濒死恒星内核1亿多千米的外壳，仅受微弱的引力束缚，恒星风——也就是地球上产生极光的“太阳风”——将吹散外层的恒星质，大量排向星际空间。

这些濒死的恒星，迅速脱去大气层，形成“行星状星云”。但这个称呼有些名不副实。赫歇尔是最早发现行星状星云的人之一。他通过当时的小型望远镜观测，看到这些蓝绿色的圆形星体，感觉有点像模糊的行星，“行星状星云”因此而得名。这些濒死的恒星对星系的生命周期而言至关重要：抛入太空的恒星质云含有宝贵的重元素，将成为未来行星和恒星形成的种子。虽然在可见光下看到的行星状星云已经足够壮观，但在红外光下却能一睹截然不同的一幕。可见光外的长波长可以穿透尘埃和气体，揭示出美轮美奂的结构，也就是中心恒星垂死挣扎的产物。

图2.5是距地球约650光年的濒死的恒星。环状的物质波是吹到太空中的浓缩等离子层。当然，从光学望远镜观察，它俨然十分壮观，但是在红外线中可以看到其中的细丝和纹路，这些图案勾勒出恒星毁灭前最后的动作。从中心向外辐射的蛛网状线是复杂分子构成的网络（正常的光线下是隐形的），会进一步向外飞行，为未来恒星和行星的形成提供更多样的原料。

左图是可见光下的景象，右图是红外线下的景象。红外线揭示了隐藏的细节世界：围绕着这颗注定要灭亡的恒星的蛛网状线（正常光线下是隐形的）。

有些濒死恒星甚至更加壮观。距离我们1500光年的红巨星玉夫座R（R Sculptoris）是我们邻近地带的奇观之一。玉夫座R位于银河平面之外，因此稍微好一点的业余望远镜也能轻松观测，只不过用可见光是看不出什么名堂的。但如果你有幸使用阿塔卡马大型毫米波天线阵望远镜（ALMA），捕捉远红外景象，就能目睹玉夫座R真正发光的一面（图2.6）。这种长波段揭示出濒死恒星被物质包围，外延是来自表面吹散的螺旋形和环形尘埃。这张图也是一张过于完美的照片（我总是要提醒自己这是一张真实照片，而非示意图）。玉夫座R尤为庞大：如果放在太阳的位置，这颗濒死恒星的大气层边缘将延至火星。这张红外照片的有趣之处在于，飞出物质构成的图案可揭露更深层内部的变化。图中，被抛出的尘埃形成一条条精密的环形和丝状结构，而不是均质扩散的星际云。由此可从视觉（或至少“红外觉”）上验证恒星内部的核反应堆在断断续续地运行。就恒星寿命来看核心内氦已所剩无几（转化为位于濒死恒星核心的碳球）。剩余的氦气继续在碳核心周围的薄壳中燃烧，仿佛裹着橘子皮。氦壳燃烧的速度对温度十分敏感：即使是温度小幅增加也会引起巨大的能量风暴，脉冲到表面然后把恒星的大气层带走。这种不稳定的氦核反应断断续续地进行，导致濒死恒星一次又一次脉冲，形成环环相抱的烟圈吹向外空。

图片还有个醒目的细节：吹到太空的尘埃环并非匀称整齐的同心圆。最外层边界非常厚实（证明第一次喷发规模巨大），而内部的等离子环呈现出螺旋状条带。这种壮观螺旋带唯一说得通的解释是：我们看到的图案是一颗隐藏的伴星所描画的，伴星远远小于濒死红巨星。隐藏的伴星围绕着玉夫座R运转，其引力将老恒星排斥的大气层编织成红外线下能看到的美丽图案。

濒死恒星被物质包围，外延是来自表面吹散的螺旋形和环形尘埃。隐藏的伴星围绕玉夫座R运转，其引力将老恒星排斥的大气层编织成红外线下能看到的美丽图案。

同太阳差不多大的恒星都会像玉夫座R那样凋亡——成为一枚红巨星，缓慢地脱离大气层，直到大部分散落到星际空间，最后仅剩甚小紧凑的核心，化为“白矮星”，相当于恒星残骸。此前，氦的燃烧使恒星膨胀成巨大的红巨星，现在遗留的就是碳氧“灰烬”——对太阳大小的恒星来说，这就是生命的尽头。另外，氧气也可以作为核反应燃料，不过这种反应需要的温度（超过10亿度）是太阳无论如何都无法提供的。当然，比太阳大许多的恒星也可以通过收缩产生热，推进碳和氧的聚变，走向下一个阶段。事实上，每个阶段的聚变产物都可以作为下一阶段的燃料继续反应：氢、氦、碳、氧、氖、硅，最后是铁。恒星仿佛绝望的船长，砍断床柜，撕裂甲板，扔进火炉保持引擎运转。这些高阶反应以越来越快的速度一闪而过：假若恒星的氢气足以燃烧数十亿年，碳仅能撑住600年，氖是1年，氧是6个月，而硅（燃烧产生铁的物质）仅能持续1天。对恒星来说，不幸的是生命将在此终结：因为铁无法燃烧，激发铁原子聚合的能量投入远大于输出。宇宙规律即是如此：铁就是恒星核反应堆最后的“灰烬”，一旦恒星形成了由铁组成的核心，就再没有什么可以烧的了。

可想而知，这对恒星来说堪比灭顶之灾。由于完全失去了抗衡引力的反应，恒星将迅速塌缩。恒星的核心被压缩成宇宙中密度最大的物质，而外围残留物则以每秒约7万千米的速度（光速约为每秒30万千米）坍塌，直抵核心再次向外反弹，形成冲击波，照亮整个星系。这就是“超新星”。我们将在第五章中详细谈论超新星，届时我们也将讨论它们是如何形成黑洞的。就本章而言，我们仅关注红外线所“言”。

蟹状星云就是超新星的遗物，该超新星距地球约6500光年，大约在1000年前爆炸（我们实际上知道确切的日期为1054年7月，由北宋司天监记录为“客星”）。 这是一个夺目的天体，从小型家用望远镜中就能轻易看到。我最早的天文学回忆就是用双筒望远镜观察蟹状星云，然后带着敬畏之情，意识到黑暗中的微弱的污点实际上是爆炸后恒星的遗骸。当然，赫歇尔天文台比我家双筒望远镜视野要好得多，同时也揭露了可见光下完全看不见的细节。蟹状星云是恒星爆炸后，以每秒1000多千米向外膨胀的弥散性遗骸，其中包含的大量尘埃向太空飞去，足够堆积10万个地球。这些红外图像是解决天文学一个难题的关键——为什么太空中会有如此多的尘埃？ gyOES496rvJ9ZKov2nxmf1ZP09XW0/rF6cWCIoM1cEjodpnB5UXVQZP9H14Hpsq2