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        恒星的童年(上)

        2009-12-31 00:00:00曾耀寰
        飛碟探索 2009年7期

        星球的早期是由氣體劇烈碰撞所主宰,核反應(yīng)漸漸地開始了,這使得演化成熟的星球能夠穩(wěn)定地發(fā)出能量。并且持續(xù)數(shù)百萬年。

        抬頭仰望清晰的夜空,遠(yuǎn)離城市煙火,人們可以看到宇宙中分布了數(shù)不盡的恒星。自然界是如何讓這些繁星沉寂在我們的銀河系中?星球在宇宙產(chǎn)生后(距今100億年~200億年)仍然不斷地誕生,這些星球又是如何產(chǎn)生的?在年輕的星球轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒旆€(wěn)定星球(如太陽)的過程中,又經(jīng)歷了哪些變化?

        以物理學(xué)家的論點(diǎn)而言,一個(gè)星球只不過是一團(tuán)受重力束縛的高熱氣體球。它內(nèi)部的高熱與壓力使得氣體球內(nèi)部產(chǎn)生核反應(yīng)(主要是氫聚變成氦),核反應(yīng)產(chǎn)生的壓力使星球不會受重力作用而繼續(xù)收縮。這種簡單的系統(tǒng)能夠清楚地描述星球演化的過程:剛開始是一團(tuán)星際氣體慢慢收縮而變密。到最后星球?qū)⑺械暮巳剂舷耐辏构舛戎饾u變暗而形成白矮星、中子星或黑洞。

        以上的描述似乎會使人以為,早期星球演化的各個(gè)細(xì)節(jié)應(yīng)該很容易了解。但事實(shí)不然,例如在考慮亮度變化的過程中,尚未進(jìn)入主序星的年輕星球因?yàn)閮?nèi)部溫度太低,無法進(jìn)行核聚變反應(yīng),理論上這個(gè)階段的星球亮度應(yīng)該是最低的。當(dāng)它進(jìn)入主序星階段,核聚變反應(yīng)逐漸開始,它的亮度也逐漸增加,最后再變暗。事實(shí)上,一些年輕的星球是非常亮的,它的亮度隨年紀(jì)增加而變?nèi)?,?dāng)亮度達(dá)到最小值時(shí),核聚變反應(yīng)才開始,這與預(yù)測的完全不同。早期星球的物理過程非常復(fù)雜,有些部分至今仍然不清楚。直到最近20年才有天文學(xué)家開始將各個(gè)片斷的理論現(xiàn)象連接起來,形成一個(gè)完整的物理圖像。

        分子云的收縮過程

        在銀河盤面上,一團(tuán)氣體透過本身的重力收縮而逐漸形成星球。這團(tuán)體積大而且可見光不易穿透的氣體稱作巨大分子云。分子云表示氣體主要由分子狀態(tài)的氫氣所組成,這個(gè)分子云是銀河系中最大的結(jié)構(gòu),直徑大于300光年。

        星球通常在分子云中較為稠密的區(qū)域中誕生。這稠密的區(qū)域稱為稠密核,一般天文學(xué)家是利用無線電波望遠(yuǎn)鏡來研究稠密核的特性。因?yàn)橹挥杏眠@種大型的無線電波望遠(yuǎn)鏡才能偵測到發(fā)自分子云微弱的毫米電磁波。這種輻射并不是來自氫分子本身,而是來自核內(nèi)的其他分子,如CO、CS。由這些分子發(fā)出的輻射可知:稠密核密度為每立方厘米約3萬個(gè)氫分子,溫度約為IOK。研究者可由以上的數(shù)據(jù)推算出,稠密核的壓力剛好可抵擋住本身的重力收縮,因此一個(gè)星球的形成,必須由稍不穩(wěn)定狀態(tài)開始收縮而形成(稍不穩(wěn)定指的是重力稍微大于氣體壓力)。

        稠密核本身如何在分子云中收縮達(dá)到稍不穩(wěn)定的原因,并不清楚。即使如此,天文物理學(xué)家仍然有其他工具可以研究星球的形成。在19世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)稠密核之前,理論學(xué)家就曾利用電腦模擬,推斷星球如何在不穩(wěn)定狀態(tài)下收縮。利用電腦做模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),每次模擬都假設(shè)不同的初始條件,但每個(gè)結(jié)果都顯示分子云并不是劇烈的不穩(wěn)定收縮。也就是說,中心物質(zhì)先進(jìn)入如自由落體般的收縮狀態(tài),外面的氣體仍然保持靜止,收縮區(qū)域漸漸地由中心向外擴(kuò)散。在收縮區(qū)域的中心,一顆恒星經(jīng)由分子碰撞而形成。

        恒星本身直徑約一個(gè)光秒,大約是稠密核的千分之一。由于體積太小,至今仍不能清楚地觀測到它的收縮過程,唯一能觀測的只是質(zhì)量流入中心的速度。這個(gè)流量指的是單位時(shí)間內(nèi)流過以分子云中心為圓心的一假想圓球殼面的質(zhì)量。關(guān)于這點(diǎn),加州大學(xué)伯克利分校的徐遐生院士提出一個(gè)非常重要的理論。他利用自我相似性的假說證明,質(zhì)量流入中心的速度只取決于分子云剛開始的溫度:溫度愈高,速率愈大。他的研究結(jié)果顯示,正在收縮的稠密核中心,一個(gè)太陽大小的物質(zhì)的流入,需10萬年~100萬年。

        在收縮分子云中形成的物體稱為原始星球。比較流行的原始星球理論起源于1969年,耶魯大學(xué)的拉生在電腦中模擬一團(tuán)分子云如何收縮成星體。他發(fā)現(xiàn)理論上可以在分子云收縮過程中,將原始星球與分子云完全隔離開來,也就是說研究者可采取比較奇怪的邊界條件(四周不斷有質(zhì)量流入系統(tǒng)),將原始星球當(dāng)作一顆孤立的星球,而完全忽略掉分子云其他區(qū)域。天文學(xué)家利用這套方法,可以研究不同的流量對原始星球演化的效應(yīng)。1980年徐院士及西北大學(xué)的譚遠(yuǎn)培,首先利用這種方法研究一個(gè)太陽質(zhì)量的原始星球的特性。1990年麻省理工學(xué)院的斯塔勒與帕拉合作,利用這種方式研究質(zhì)量更大的原始星球特性。

        原始星球

        通過電腦模擬,天文學(xué)家現(xiàn)在已發(fā)展出一套理論來描述原始星球。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)流人的氣體以高速撞擊到原始星球時(shí),并不是緩慢地落到原始星球表面,而是在原始星球外形成震波以阻止氣體撞到表面。當(dāng)氣體進(jìn)入震波內(nèi),會被加熱到百萬攝氏度,然后氣體透過輻射降溫到10 000℃,然后才一層層地沉積在原始星球表面。這可以解釋為什么年輕的星球會非常亮。假如原始星球累積到一個(gè)太陽的質(zhì)量,當(dāng)氣體碰到震波前產(chǎn)生的亮度是太陽的6倍~60倍,這超常的亮度并不是來自于核聚變反應(yīng),而是來自物質(zhì)受重力收縮而形成的動(dòng)能。

        原始星球的亮度可觀測到,但并不能從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看到。所有在星際空間的氣體(包括分子云),都含有塵埃,一種次微米大小的固體粒子。當(dāng)光子從震波前向外流出時(shí)會撞上跟著氣體向內(nèi)收縮的塵埃。這些塵埃無法掉到原始星球表面,因?yàn)檎鸩▋?nèi)的高熱可以將塵埃蒸發(fā)掉。天文學(xué)家稱此塵埃蒸發(fā)的區(qū)域?yàn)椤安煌该骺p隙區(qū)”。遠(yuǎn)離此區(qū)域的地方溫度較低,所以塵埃并不會被蒸發(fā),較冷的塵埃吸收震波產(chǎn)生的光子,然后重新輻射出波長較長的電磁波,這些電磁波又被更遠(yuǎn)的塵埃吸收,然后再輻射。這些光子不斷地在分子云內(nèi)被塵埃再吸收,再輻射,直到光子的平均波長落在紅外線范圍之外。這時(shí)光子的位置大約在離原始星球幾個(gè)光時(shí)的區(qū)域(稱為塵埃光球?qū)?,光子的波長已長到連塵埃都無法吸收,此后光子可以不受阻礙地、自由地飛到地球的紅外線天文望遠(yuǎn)鏡里。

        即使用最先進(jìn)的觀測器,天文學(xué)家也不敢確定望遠(yuǎn)鏡是否接收到來自原始星球的紅外線信號。1983年,紅外線天文衛(wèi)星發(fā)射升空,得到數(shù)以千計(jì)的紅外線輻射影像,有些影像毫無疑問就是原始星球。其他則無法分辨是來自年老的星球,還是隱藏在塵埃氣體內(nèi)的原始星球。若要進(jìn)一步辨認(rèn),就得觀測紅外線源附近的多普勒位移。多普勒位移可以找到氣體流動(dòng)的速度,證明紅外線源是否為原始星球。

        氘聚變反應(yīng)

        當(dāng)原始星球吸收到足夠的氣體,質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量1/10時(shí),中心溫度足以產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。不過原始星球內(nèi)部的核聚變反應(yīng)與主序星的核聚變反應(yīng)不同,主序星是一種中年的星球,就像太陽一樣,處在長時(shí)間平衡狀態(tài)的星球,主要的核聚變是氫的核聚變。

        氫原子是宇宙中最常見的成分。大爆炸產(chǎn)生的氫原子主要是由一個(gè)單一質(zhì)子組成,但是在約10萬個(gè)氫原子中會有2個(gè)氘。氘是由一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)中子組成,氘一直到今天都存在于星際氣體之中。更重要的是:這一點(diǎn)點(diǎn)不純的成分在原始星球的生命發(fā)展中扮演了重要的角色。

        原始星球內(nèi)部溫度尚不足熱到使氫原子產(chǎn)生核聚變反應(yīng),氫原子的核聚變反應(yīng)需要幾千萬攝氏度,但通過重力收縮,原始星球很容易就達(dá)到氘聚變的溫度。氘聚變反應(yīng)也會產(chǎn)生大量的能量,這些能量以輻射的方式向外傳播,但是原始星球附近的物質(zhì)太過稠密,輻射線無法直接穿透出去,造成星球?qū)α鞑环€(wěn)定的現(xiàn)象,就像滾燙的開水一樣,氣泡不斷受到核聚變反應(yīng)加熱而升到表面。在原始星球中,這種循環(huán)的對流旋渦,會將掉落在表面的氘帶到中心,然后產(chǎn)生聚變反應(yīng),產(chǎn)生了大量的熱能。這種對流循環(huán)的現(xiàn)象,可以不斷提供能量來源,以保持中心繼續(xù)反應(yīng)。

        當(dāng)原始星球得到足夠的質(zhì)量,達(dá)到兩倍的太陽質(zhì)量,這種對流循環(huán)便有不同的運(yùn)作方式。帕拉與斯塔勒最近發(fā)現(xiàn),在它內(nèi)部區(qū)域有一層薄球殼會變成透明,熱不經(jīng)過對流就可直接以輻射方式傳出,但是上升及下降的氣體無法穿透這一輻射障礙。緊接著,聚變反應(yīng)很快將輻射障礙內(nèi)的氘用完,新鮮的氘卻又只堆積在輻射障礙的表面,漸漸地,表面愈來愈熱,最后也可以進(jìn)行氘聚變反應(yīng)。熱氣泡從燃燒殼開始上升,順著它們的路線升到云氣表面,然后下沉到燃燒殼,完成補(bǔ)充原料的一個(gè)循環(huán)。

        雖然只有少量氘進(jìn)行聚變反應(yīng),它所產(chǎn)生的熱對原始星球有巨大的影響。氘反應(yīng)主要的效應(yīng)是會造成原始星球膨脹,因?yàn)閷α髂軌蛴行У貍鬟f能量,氘的燃燒可使每個(gè)原始星球脹到某一特定大小,此特定大小取決于每個(gè)原始星球的質(zhì)量。根據(jù)計(jì)算一個(gè)太陽質(zhì)量的原始星球可脹到太陽的5倍,三個(gè)太陽質(zhì)量的原始星球則脹到10倍。(待續(xù))

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