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今天
我们有更多的证据来支持恒星演化理论
对中微子的研究就是一个显著的例子
中微子产生与质子变成中子的聚变反应
这是一种幽灵般的粒子
几乎不与任何东西发生相互作用
因此
中微子一旦产生
就能毫无阻碍的从太阳中心流出
事实上
中微子流量惊人
在地球上
每秒每平方厘米大约有一千亿个中微子穿过
听起来很简单
却很难想象
把手举在面前
看着指甲
每秒钟就有一千亿个来自恒星核心的亚原子粒子穿过它
幸运的是
中微子几乎总能穿过手掌
穿过地球
视若无物
但是
极罕见的情况下
中微子也会发生作用
问题的关键是建立一个能够捕捉这种罕见事件的实验装置
超级神钢实验能够迎接这项挑战
它位于日本齐阜县附近神钢矿业所在的茂柱矿山深处
是一个直径四十米
高四十米的巨大圆柱体
体内含有五万吨纯水
水的周围环绕着一万多个光电倍增管
这些光电倍增管能够探测到中微子与水中电子碰撞时产生的微弱的光线
因此
实验能够看到来自太阳的中微子流
并且实验探测到的中微子数量与太阳内部聚变过程产生的中微子理论预期数量相符合
最终
恒星耗尽氦
开始进一步的坍塌
当核心温度上升并超过五亿度时
碳开始燃烧
产生更重的元素
这个过程一直持续到铁
我们的血液呈现红色
就是因为它含有铁元素
铁元素是恒星核聚变的终点
因为比铁更重的元素在星核中不能通过聚变生成
这里也存在一个收益递减法则
也就是比铁更重的原子核与其他原子发生核聚变反应时
放不出能量来
换句话说
向铁原子核中加入质子或中子
只能使其更重
而不是更轻
变轻是聚变释放出能量的条件
事实上
比铁更重的原子核更倾向于释放质子或中子
就像之前在油的例子中所看到的那样
在这些情况下
产物的质量之和小于初始原子核的质量
因此
当一个重原子核分裂时
能量被释放出来
总之
铁是一个特例
它是原子核中的金凤花姑娘
它异常稳定
由于没有途径提供能量来阻止不可避免的坍缩
在引力的作用下
一颗核心富含铁的恒星处在命运的转折点上
此时
这颗恒星还有最后一线生机来阻止彻底的坍缩
恒星诞生之时
电子被从氦原子上扯下来
在四周游荡
随着恒星密度的增大
这些游荡的电子由于泡粒不相容原理对坍缩做了最后的抵抗
泡粒不相容原理是量子理论中的一条重要原理
对原子的结构形成和稳定性至关重要
粗略的说
这条原理是指电子聚集在一起的密集程度是有限的
对于密度较大的恒星
电子向外施加的压力会随着恒星的坍缩而增加
直到能够阻止由于引力引导的坍缩
一旦发生这种情况
恒星就被长时间困在一种羸弱的状态
它没有燃料可以燃烧
这就是为什么一开始它会坍缩
因为电子产生的压力
它也不能进一步坍缩
这样的恒星被称为白矮星
一个对无法挽回的荣光的漫长纪念
生机勃勃的生命创造者
现在被压缩成一个小行星大小的残留
在一个比宇宙年龄要长的时间尺度里
白矮星逐渐冷却
直到从视野中消失
我们想起了大爆炸理论之父乔治
勒梅特在回顾宇宙从光明到黑暗的必然过程中所做出的感慨
可以把宇宙的演化比作刚刚结束的烟花表演
几条烟丝
几块灰烬和几缕烟雾
站在冰冷的灰烬旁
我们缅怀着迟暮的太阳
并试图回忆那早已逝去的创世时的辉煌
整本书贯穿一个目标
就是仔仔细细的解释为什么事物如其所示
伴随着讲解的深入
还要为其提供论证和论据
但这里对恒星是如何工作的描述看起来有些空泛
显然这已经偏离了我们仔仔细细解释的风格
因此
你甚至会提出反对意见
我们不可能知道恒星是如何工作的
因为在恒星上做实验是不可能的
但这不是简短的理由
我们讲的简述
是因为这样可以避免陷入细枝末节
霍伊尔卓越的工作和超级神钢实验的成功
加上印度物理学家苏布拉曼
扬 钱德拉
塞卡的最后一个精彩预言
就足以作为证据了
在二十世纪三十年代早期
仅凭已建立的物理学理论
他预言了白矮星无自传的应该有一个质量上限
钱德拉
塞卡最初估计的这个质量上限为一个太阳质量
即以太阳的质量作为单位
后来经过更精确的计算
他得出一点四个太阳质量
钱德拉塞卡进行他的工作时
仅有少数白矮星被观察到了
今天
人们已经观察到了大约一万颗白矮星
它们的质量都接近太阳的质量
没有一颗白矮星的质量超出了钱德拉塞卡的最大值
在地球上一个昏暗的实验室中
从简单实验装置中发现的规律适用于整个宇宙
这是物理学真正的乐趣
钱德拉塞卡正是利用了物理规律的普遍性做出了他的预测
并因此获得了一九八三年诺贝尔奖
他的预言得到了证实
这表明物理学家有权利非常确信
他们真的知道恒星是如何工作
恒星都注定要以白矮星的形式结束生命吗
上一段的内容表明了这一点
但并不是全部
还留有其他线索
如果白矮星质量不可能大于一点四个太阳质量
那么质量比这更大的恒星最后会怎么样呢
也许大质量恒星可以摆脱一部分质量
从而满足钱德拉塞卡的限制
但除此之外
还有两种可能
对应着两种不同的恒星命运
对于这样两种情况
随着恒星的坍缩
较大的初始质量意味着电子最终将以接近光速的速度四处运动
一旦发生这种情况
将毫无出路
电子产生的压强将不足以抵抗重力
对这些大质量的恒星来说
命运的下一阶段就是中子星
这个过程将点燃最后一次聚变反应
由于质子和电子移动的非常快
有足够的能量启动质子
电子聚变
生成中子
该反应是贝塔衰变的反过程
因为在贝塔衰变过程中
中子自发衰变为质子和电子
并释放出中微子
最终
这类恒星演变成了一个全部由中子组成的球体
中子星的密度惊人的大
一查实中子星物质比一座山还重
把一个比太阳质量还大的恒星压缩成一个城市大小
就是中子星
此外
科学家观察到的许多中子星以惊人的速度旋转
它们是一座座宇宙灯塔
将辐射抛向外空
这些星体被称为脉冲星
是名副其实的宇宙奇观
对于一些已知的脉冲星
其质量接近太阳的两倍
但直径却只有二十千米
他们以每秒超过五百转的速度旋转
还有力
在这颗星球上的狂暴程度是超出我们的想象的
除了中子星外
还有一种命运等待着更大的恒星
就像白矮星中的电子可以接近光速一样
中子星中的中子可以突破爱因斯坦设定的限制
当这种情况发生时
没有任何力量可以阻止中子星坍缩成黑洞
这是他们命运的最终归宿
今天我们对黑洞内部时空物理的认识还不完整
我们将在最后一章看到
质量会扭曲时空
是它偏离我们熟悉的明可夫斯基时空
对于黑洞
它造成了时空的极度扭曲
以至于连光都无法逃脱它的魔搭
在这样极端的环境中
目前所知的物理定律都会被打破
因此
探索黑洞是二十一世纪科学的一项重大挑战
只有完成这个挑战
我们才能讲完恒星的故事