當(dāng)我們仰望天空的恒星時(shí)，往往會(huì)覺(jué)得它們沒(méi)有變化。的確，我們今天看到的天空和我們的祖先5000 年前所見(jiàn)到的天空景象區(qū)別不大，那時(shí)，他們最初把恒星連接成星座：如大熊座、金牛座、巨蟹座等等。

但是恒星確實(shí)是變化的。正像我們?nèi)祟?lèi)一樣，它們也經(jīng)歷誕生、生存和死亡的階段。和人類(lèi)相比，恒星的壽命很長(zhǎng)——好幾百萬(wàn)年，因此，我們?nèi)祟?lèi)的肉眼幾乎覺(jué)察不到各個(gè)恒星的變化。

然而，天文學(xué)家們卻能識(shí)別出處于不同生存階段的恒星，編寫(xiě)出它們的履歷。同樣，天文學(xué)家們也能辨別出正在誕生的恒星、青壯年時(shí)期的恒星和行將滅亡的恒星。那么，他們又是怎樣知道恒星處于一生中的哪一個(gè)階段呢？答案來(lái)自以物理學(xué)定律為基礎(chǔ)的恒星生命的詳細(xì)理論。這種“恒星演化”理論是20 世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一。

新星誕生在無(wú)限的太空

恒星是在充滿(mǎn)稀薄氣體的太空中誕生的。這種氣體主要是由氫原子和少量氦構(gòu)成的。在太空中的某些地方，氣體凝集成相當(dāng)密集的星際氣云。

根據(jù)萬(wàn)有引力理論，氣云靠本身的引力自我吸引。引力將氣云往里吸引，然后將其壓縮至更高密度。氣云中心應(yīng)是受壓最甚的區(qū)域。天文學(xué)家認(rèn)為在這種氣體中，有的將凝聚成一個(gè)個(gè)的“圓團(tuán)”，每個(gè)圓團(tuán)靠自身引力吸引在一起。氣體受壓，溫度便升高。因此，圓團(tuán)的中心溫度可高達(dá)1000 萬(wàn)攝氏度——這樣高的溫度足以引發(fā)核反應(yīng)。核反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，并生成大量能量。于是，圓團(tuán)開(kāi)始發(fā)光，這時(shí)，便誕生了一顆新星。

遺憾的是，普通望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上并不能向我們揭示恒星在星際氣云中的誕生。這主要是塵埃粒子所造成的。微小的塵埃粒子——其大小與紙煙煙霧粒子相似——在太空中與氣體混合在一起。在較密的氣云中，塵埃更集中，其粒子吸收了經(jīng)過(guò)云層的光。結(jié)果，我們把這些氣云看成是遙遠(yuǎn)恒星的背景之上的暗黑輪廓。最有名的暗云是“煤袋”，它在南半球用肉眼就能看到。塵埃還妨礙我們觀察暗云內(nèi)部——新星的誕生地——所發(fā)生的變化。

近些年來(lái)，天文學(xué)家已解決了這個(gè)難題。他們研制出了一種能探測(cè)紅外輻射而不是光的望遠(yuǎn)鏡。太空中的塵埃粒子不吸收紅外輻射，因此，紅外望遠(yuǎn)鏡能探測(cè)來(lái)自密云內(nèi)部的紅外輻射，從而能“看”到那里孕育著的新星。最成功的紅外望遠(yuǎn)鏡安裝在1983 年射入軌道的一顆人造衛(wèi)星——紅外天文衛(wèi)星（IRAS）上，它已發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)深藏在星際氣云里的年輕恒星。

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)氣團(tuán)以一種相當(dāng)奇異的方式塌陷。氣團(tuán)的中心部分迅速內(nèi)落，而外部隨之下落的速率則較慢。氣團(tuán)還相當(dāng)緩慢地自轉(zhuǎn)著。但隨著外殼的內(nèi)落，氣團(tuán)越轉(zhuǎn)越快——就像溜冰者放下雙臂，他們旋轉(zhuǎn)加快一樣。這樣，內(nèi)陷的氣體就形成了一個(gè)環(huán)繞著位于中心的新生恒星的圓盤(pán)；而中心的氣體越壓越緊，足以引發(fā)核反應(yīng)。在圓盤(pán)內(nèi)部，混合在那里的氣體和塵埃最終形成一系列環(huán)繞新恒星運(yùn)行的行星。

新星一旦發(fā)光，就形成一股強(qiáng)勁的熱氣之“風(fēng)”，在圓盤(pán)上下按相反方向奪路沖出。此風(fēng)驅(qū)散了掩蓋著新星、阻礙人們觀察的大部分原生氣云。這時(shí)，用普通望遠(yuǎn)鏡就能觀察到年輕的恒星了。它們照亮了殘余的原生氣云，使其熠熠發(fā)光，形成明亮的星云。

每個(gè)星云都圍繞著年輕恒星的“保育室”，形成了天空中一些最為壯觀的景色。最著名的是獵戶(hù)星云，冬季在歐洲用肉眼就能看到：巨大的獵戶(hù)座恒星區(qū)的一塊薄霧狀淺斑。

壯年時(shí)期：主序

恒星誕生時(shí)，是一個(gè)熱的氣體球，主要成分是氫，恒星之所以發(fā)光是因?yàn)樵谄渲行倪M(jìn)行的核反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?。在這一點(diǎn)上，所有新生的恒星都相同。恒星互相區(qū)別的主要標(biāo)志是其質(zhì)量——它所包括的物質(zhì)量。恒星的質(zhì)量在其出生時(shí)就確定了，由質(zhì)量又決定了恒星的壽命和最終的命運(yùn)。

太陽(yáng)是一個(gè)十分典型的恒星，現(xiàn)在正處于壯年期，因此，用太陽(yáng)測(cè)量其他恒星是一個(gè)很方便的標(biāo)準(zhǔn)。例如，我們不說(shuō)一顆星球重2萬(wàn)億億億噸，卻說(shuō)其質(zhì)量是太陽(yáng)的10倍。按這個(gè)計(jì)量法，新生恒星的質(zhì)量范圍非常大，輕的是太陽(yáng)的0.07倍，重的達(dá)到太陽(yáng)的100倍。

在最重的恒星中核反應(yīng)進(jìn)行得最快，因?yàn)樗鼈兊闹行臏囟茸罡?，受壓也最大。所以，較重的恒星較亮、表面也較熱。我們可以把這類(lèi)恒星歸入一個(gè)確定的順序，稱(chēng)為恒星類(lèi)型的主序。一端是最輕的恒星，比太陽(yáng)暗得多，表面的溫度僅為3000℃。太陽(yáng)位居中間，表面溫度是6000℃。這個(gè)范圍的頂端是最重的恒星，亮度相當(dāng)于10萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，表面溫度高達(dá)30000℃或更高。

恒星一生中的大部分時(shí)間都用于將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，因此，主序階段實(shí)際上是它的壯年期。恒星的壽命長(zhǎng)短嚴(yán)格地取決于其重量。重的恒星迅速地消耗它的核燃料，因此也就很快地耗盡了氫氣儲(chǔ)備。輕的恒星盡管開(kāi)始進(jìn)行反應(yīng)時(shí)的燃料儲(chǔ)備很少，但卻消耗得緩慢得多，因而可存在更長(zhǎng)的時(shí)間。

恒星的壽命太長(zhǎng)了，使我們不易說(shuō)清楚，因此我們?nèi)匀挥锰?yáng)來(lái)進(jìn)行比較。理論推算，作為主序星的太陽(yáng)將存在100 億年，最重的恒星壽命只有太陽(yáng)的1%，很輕的恒星壽命則比太陽(yáng)長(zhǎng)100倍。

像太陽(yáng)這樣的恒星滅亡時(shí)，不僅僅是熄滅，而要經(jīng)歷一種“中年擴(kuò)散”，膨脹變成紅巨星，約為原直徑的100倍。

導(dǎo)致這個(gè)過(guò)程的原因在于恒星的中心，即其核心。這里的反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?。就像火中的灰燼一樣，該中心區(qū)域不產(chǎn)生能量。核反應(yīng)繼續(xù)在氦核周?chē)谋　皻ぁ敝羞M(jìn)行，計(jì)算表明，這些反應(yīng)所產(chǎn)生的能量比以前更多。當(dāng)這股額外能量通過(guò)恒星推進(jìn)時(shí)，就使得星球的外部脹大。當(dāng)外層冷卻下來(lái)，星球就發(fā)出紅光，因而命名為“紅巨星”。假如我們?cè)诩t巨星中截取一個(gè)斷面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它有一個(gè)既小又密的核心和一個(gè)稀薄氣體組成的巨大的外層區(qū)域——比地球的大氣層還要稀薄。

與主序相比，紅巨星不很常見(jiàn)。然而，由于它們體積龐大，因此顯得很明亮，在天空中鶴立雞群。最有名的是獵戶(hù)座中的參宿四；另一個(gè)則是天蝎座中的心宿二，由于其鮮明的紅色，希臘名稱(chēng)的意思是“火星的匹敵者”。

紅巨星很難保持其巨大的外層區(qū)域。這種恒星很不穩(wěn)定，最終外層氣體逸進(jìn)宇宙空間。在完全消失之前，氣體在滅亡中的恒星周?chē)纬蓺馀荨瓷先ゾ拖裉罩械陌l(fā)光煙圈。天文學(xué)家稱(chēng)這種氣泡為“行星狀星云”，因?yàn)橛眯⌒屯h(yuǎn)鏡觀察它們時(shí)，看起來(lái)很像一顆行星。

在恒星的外層區(qū)域消失以后，就能看見(jiàn)又小又熱的星核。它只有太陽(yáng)直徑的1%（沒(méi)有比地球大的），而且非常之熱，以致發(fā)出白熱狀態(tài)的光，天文學(xué)家稱(chēng)之為“白矮星”。白矮星一般難以發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)白矮星是另一顆恒星的伴星時(shí)，天文學(xué)家就可以成功地對(duì)它們進(jìn)行跟蹤。第一顆發(fā)現(xiàn)的白矮星是天空中最亮的恒星——天狼星的伴星。由于天狼星被稱(chēng)為“狗星”，因此其小伴星常被叫做“小犬星”。

白矮星不再產(chǎn)生任何能量。它之所以發(fā)光僅僅是因?yàn)樗Q生時(shí)就這么熱。隨著時(shí)間的推移，它逐漸冷卻下來(lái)，變成黃色、桔紅色、紅色，直至——像火中的余燼一樣——從視線中完全消失。

超新星！宇宙中的爆炸

特重的恒星的結(jié)局要戲劇化得多，正如天文學(xué)家1987年在南半球觀察到的。一顆以前只能通過(guò)大功率望遠(yuǎn)鏡看到的恒星突然爆炸了，發(fā)出的光非常明亮，以致用肉眼就能看到。這顆恒星作為超新星滅亡了。

重恒星結(jié)束了其主序階段之后，開(kāi)始逐步走向超新星。這顆恒星既然已用完其中心的氫氣儲(chǔ)備，于是便膨脹成具有密實(shí)中心氦核的紅巨星。但事情并未結(jié)束。在如此沉重的恒星中心，壓力、溫度繼續(xù)上升，直至氦原子開(kāi)始聚變成較重的元素——碳。這種反應(yīng)能產(chǎn)生額外的能量，使恒星繼續(xù)發(fā)光。最后，持續(xù)上升的溫度、壓力又迫使碳變成更重的元素，諸如氖、硅和鐵。

星核很像一只洋蔥，中部幾層（從里向外）分別是鐵、硅、氖、碳、氦和氫。但其反應(yīng)過(guò)程不可能無(wú)限制地進(jìn)行下去。如果你試圖使鐵原子核聚變，該反應(yīng)并不產(chǎn)生能量，且事實(shí)上是消耗能量的，所以這種恒星的中心極不穩(wěn)定。最后發(fā)生爆炸，將恒星外層炸開(kāi)。僅僅幾秒鐘內(nèi)，它就徹底崩潰了。在超新星的爆炸中，來(lái)自正在崩潰的星核的能量波將恒星分散。

中子星與黑洞

超新星崩潰后，其星核又發(fā)生了什么變化呢？20 世紀(jì)30 年代在美國(guó)工作的兩位天文學(xué)家，費(fèi)里茨·茨威基和沃爾特·拜得，認(rèn)為它將塌縮成一顆比白矮星還小的小球，完全由稱(chēng)為中子的亞原子粒子構(gòu)成。

幾十年來(lái)，這僅僅是一個(gè)理論上的設(shè)想。直到1967 年秋季的一天，兩位劍橋的射電天文學(xué)家，托尼·赫威希和喬西林·貝爾，檢測(cè)到來(lái)自太空的有規(guī)律的信號(hào)。他們否定那可能是“小綠人”試圖與地球聯(lián)絡(luò)的說(shuō)法，而認(rèn)為他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了太空中的某種天然燈塔。這種燈塔的信號(hào)燈發(fā)出光束，仿佛信號(hào)燈在旋轉(zhuǎn)而閃爍。劍橋所接收到的信號(hào)一定是來(lái)自于正在發(fā)射無(wú)線電波束的宇宙燈塔，它大約每秒自轉(zhuǎn)一周。根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)，僅有一種恒星能自轉(zhuǎn)得如此之迅速，即“中子星”。

射電天文學(xué)家現(xiàn)已確定了幾百顆正在自轉(zhuǎn)的中子星（因其發(fā)射周期性無(wú)線電“脈沖”，故也稱(chēng)為“脈沖星”）。其中一顆位于蟹狀星云中心，這種螺旋狀的氣云是900年前一顆超新星爆發(fā)時(shí)拋射出來(lái)的。

中子星的直徑大約只有25米，內(nèi)部的物質(zhì)聚集得非常緊密，以致中子星上一個(gè)針尖大小的物質(zhì)具有100萬(wàn)噸的質(zhì)量。其引力如此之大，以致任何一位試圖登上它表面的宇航員都將被撞得粉身碎骨，分散成只有一個(gè)原子那么厚的薄薄一層。

白矮星和中子星已經(jīng)夠稀奇的了，但理論上預(yù)言還有一種更古怪的“恒星尸體”——黑洞。如果崩潰中的超新星的核心質(zhì)量太大（重于3 個(gè)太陽(yáng)），那么它最后就不可能變成中子星。它自身的引力非常之大，以致星核繼續(xù)塌縮，直至變成一個(gè)密度無(wú)窮大的根本沒(méi)有大小的數(shù)學(xué)點(diǎn)。環(huán)繞著這種點(diǎn)的是幾千米直徑的區(qū)域，其引力如此強(qiáng)大，以致任何東西都不能逃脫——不僅僅是光。這個(gè)區(qū)域就是黑洞。它“黑”，是因?yàn)樗蛔尮馓右?，即使你試圖照亮它，黑洞也將吞噬手電發(fā)出的光束。它是一個(gè)“洞”，是因?yàn)槟銙佭M(jìn)去的東西不復(fù)再現(xiàn)，不論你駕上多么強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也出不來(lái)。

天文學(xué)家第一次預(yù)言黑洞的存在是在20 世紀(jì)30 年代，只是過(guò)去幾年才發(fā)現(xiàn)它存在的一些證據(jù)。在天鵝座中有一個(gè)被稱(chēng)為“Cg-gX-1”的強(qiáng)大X 光射線源，天文學(xué)家在天空中的該地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了一顆恒星。該恒星本身很普通，不產(chǎn)生X 射線。它圍繞著一顆普通望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)不到的伴星擺動(dòng)。仔細(xì)地觀察這顆可見(jiàn)星，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)其不可見(jiàn)的伴星對(duì)物體所施加的引力是太陽(yáng)的10 倍。這個(gè)引力太強(qiáng)了，不可能是中子星，因此，唯一的可能是黑洞。

新元素的產(chǎn)生

超新星不僅僅代表滅亡或者毀滅。超新星的勁風(fēng)橫掃太空中的氣體，將其壓成密實(shí)的云層。這里引力便起作用使氣云塌縮，凝聚成一顆新星。

當(dāng)恒星作為行星狀星云或超新星滅亡時(shí)，在太空中播下了它畢生或臨終的陣痛中所產(chǎn)生的新元素，如碳、鐵、金甚至鈾和其他的放射性元素。

天文學(xué)家現(xiàn)在堅(jiān)信，宇宙初開(kāi)時(shí)，在大爆炸中，氣體的成分幾乎是氫和氦。滅亡中的恒星形成了新有的其他元素，包括組成地球的硅、氧、鐵以及人體中的碳以及其他元素。因此，僅僅我們的生存就得歸功于過(guò)去無(wú)數(shù)代恒星的生生滅滅。