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了，那么是一个黑洞吗？然而这一质量测定得并不很可靠。因此，直到如今人们尚未找到存在黑洞的确信无疑的证据。迄今为止，到科研文献以及报纸里去寻找黑洞，比起到自然界中去搜索所碰到的要多得多。当今流行的做法是，一遇到解释不了的事物就把黑洞请出来帮忙，把当时尚未理解的千差万别的宇宙现象都归因于黑洞。在伦敦一家书店里我看见过一本关于“BlackHoles”（黑洞）的书排在神秘学类书架上。显然，这位英国书店老板为现代天体物理学界设身处地着想的能力是高明的。看起来，一颗星的命运要么以老老实实冷却的白矮星，要么以中子星而结束。后一种情况是，在其最初阶段则发出射电脉冲，而当物质由于某种原因落到它上面时，就表现为X射线星。一颗星演化到结束时如果剩下质量太多，多到既不能形成白矮星，也不能成为平衡态中子星，那么，这种残余天体的下场就是在黑洞里永远地坍缩下去。恒星的结局是致密天体，其中的物质永远处在一起。不过在此以前它们把一部分质量抛向空中，这就为新一代恒星的诞生准备了物质基础。恒星几乎总要变成致密天体，那么，归根到底恐怕宇宙中的一切物质都要缩聚为冷却中的白矮星、中子星或者黑洞，而围绕它们死气沉沉地运转的则是僵冷的行星。看起来似乎宇宙是在走向枯燥乏味的未来。
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12。恒星是怎样诞生的专家们想要确知，星星怎样出世，星星怎样去世。（1958年德国自然科学家与医生学会举办的一次悬赏征文竞赛收到的一篇得奖论文题头词）从幼年开始的氢聚变直到老年的恒星演变，我们已经讲了一遍。那么在此之前又是什么呢？恒星的一生经历是这样的，那么恒星又从何而来呢？它们是由什么东西组成，是怎样产生的呢？既然恒星的寿命有限，那么它们的形成只能发生在有限的年代以前。有什么办法可以使我们了解这种过程呢？我们有没有看见天上某处恒星正在形成？我们就是它们诞生的见证人吗？千亿个恒星组成了我们银河系扁盘，我们能在某些位置发现恒星起源的线索吗？恒星现在还在诞生这种线索在我们已有的知识中就能找到。我们知道，大质量恒星，也就是那些质量等于和超过太阳的10倍的恒星，衰老得很快。它们大量挥霍氢原料，在主序上呆不长久。所以不论什么时候我们只要看到一颗大质量主序星，就知道它一定还没有衰老。识别它的一个标志是它本身的光度强；由于它的表面温度高，它的光呈蓝色。蓝色高光度星就是这样还在年轻时期的恒星，它们的年龄可能还不到100万年，和已发光几十亿年的太阳相比，这种星的确是年轻。那么想寻找宇宙中不久前产生恒星的所在，就不如以蓝色高光度主序星为向导。人们在哪里能找到它们，哪里就刚刚产生过恒星，甚至有可能现在还在形成恒星。人们在天上发现了整窝整窝的蓝色高光度星。这种现象有什么特色？它们是在为我们提供恒星如何诞生的线索吗？多数情况下人们看到的那些所在有大量气体和尘埃物质集聚在恒星之间。猎户星云就是这样的所在之一（见图12…1）。埋在其中的有一批年龄不超过100万年的蓝色强光度恒星。在人马星座有许多年轻恒星隐藏在一片厚尘云背后，直到汉斯·埃文台用波长较长的红外光去观测，才能穿透尘埃物质拍得照片，对这些新生恒星进行研究。我们已经知道，星际空间不是空的，而是充满了气体和尘埃物质。这种气体的密度约为每立方厘米一个氢原子，而温度在…170摄氏度附近。星际尘埃只有…260摄氏度，这里要冷得多，但是年轻恒星所在处的星际物质
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并不是这样的。黑暗的尘云遮住了背后的星光。气体云密度达每立方厘米若干万原子，受附近年轻恒星的加热，温度高达10000度而发光。甲酸和乙醇之类的复杂分子以特定波长发出射电辐射。星际物质在这些区域的集中使人猜想恒星是由星际气体形成的。英国天体物理学家，和爱丁顿同时代的詹姆斯·金斯（JamesJeans）所提出的一种论证也支持这种想法。让我们来设想，空间充满了星际气体，每个原子对其他原子都有引力作用，使气体产生紧缩倾向。通常是气体压力使气体免于坍缩。如同恒星内部也是引力和气体压力相互平衡那样，这里的平衡是完全类似的一种局面。如果现在我们来取一定量的星际气体，并假想把它稍加压缩，那么原子与原子相互靠近，引力增大。但同时气体压力也变大，通常比引力的增长更厉害，使得被我们所压缩的气体又膨胀起来而恢复原状。人们常说：星际气体是稳定的。可是金斯发现，这种稳定性并不那么牢靠。只要同时压缩充分数量的物质，引力就比气体压力增长得更快，气体云就缩小下去。这种倾向只要一开头，本身引力就促使巨量物质的密度同时升高。大约10000倍太阳质量的星际物质一起变成不稳定的。也许这就是为什么人们总是只看到年轻星成批出现的原因。是的，它们总是一下子一大批地降生。在10000倍太阳质量的星际气体与尘埃物质愈来愈迅猛地坍缩的过程中，部分气体可能会形成较小的云团，它们的密度也分别增大。后来，每个云团各自变成一颗恒星。计算机表演恒星的诞生1969年，一位年轻的加拿大天体物理学家理查德·B·拉森（RichardB。Larson）在他的加州理工学院博士论文中写出了这种变化过程。他的这篇论文后来成为现代天体物理学文献中的一件标准作品。拉森研究了由星际物质形成一颗单独恒星的过程。拉森设想有一团球状星云的质量和太阳的质量正好相等，他用了一种在当时的条件下尽可能最合理地反映一团气体云坍缩的计算程序探索了它的变化。他的研究起点不是星际物质，而是密度已经大增的一个云团，相当于大规模坍缩物质中的一粒碎屑。因此，可以说这种云团的密度早已超过了星际物质：每立方厘米已达60000个氢原子。拉森初始云团的直径大致为其后将由这团物质形成的太阳半径的500万倍。接下来的过程是发生在一段天体物理上来说极短暂的时间中，也就是500000年内。这团气体最初是透光的：每粒尘埃不断发出光和热，这种辐射一点也不受周围气体的牵制，而是畅行无阻地传到外空。这种透光的初始模型也就决定了气体球团的今后演变。气体以自由落体的方式落到中心去，于是物质在中心区积聚起来。本来质量均匀分布的一团物质，这时变成越往里密度愈大的气体球（参阅图12…2）。这样一来，中心附近的重力加速度愈来愈大，内
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部区域物质的运动速度的增长表现得最为突出。开始时几乎所有的氢都结合成氢分子：一对对氢原子彼此结成分子。最初气体的温度很低，总也不见升高，这是因为它仍然太稀薄，一切辐射都能往外穿透而溃缩着的气体球受到的加热作用并不显著。要经过几十万年后，中心区的密度才会变大到使那里的气体对于辐射变得不透明，而在此以前的辐射一直在消耗热量。这么一来，气体球内部的一个小核心就要升温。后者的直径只有那个始终充满向中心下落物质的原气体球的1/250。随着温度的上升，压力也就变大，终于使坍缩过程停了下来。这个特密中心区的半径和木星轨道半径差不多，而它所含的质量只及整个坍缩过程中涉及的全部物质的0。5％。物质不断落到内部小核心上，它所带来的能量在物质撞到核心上的时候又成为辐射而放出。同时核心在缩小，并变得愈来愈热。这种过程一直要进行下去，直到温度达到大约2000度为止。这时氢分子开始分解，重新变成原子。这种变化对核心的影响很大。于是，核心再度收缩，到收缩时释放出的能量把全部的氢都重新变为原子。这样，新产生的核心只比今天的太阳稍大一点。不断向中心跌下的全部外围物质最终都要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要由此形成。再往后的演变中，起主导作用的实际上只有这个核心了。图12…1所示为猎户星座的发光星云。在一个直径大约15光年的空间范围里所包含的是浓缩的星际气体，那里的物质密度达每立方厘米10000个氢原子。虽然对星际物质来说这是非常高的密度，但猎户星云中的气体比地球上所能制造的最好真空还要稀薄得多。发光气体的总质量估计为太阳的700倍。星云中的气体是受到一批蓝色高光度星的激发而发光的。可以肯定，猎户星云中有诞生才100万年的恒星。在这个星云中所找到的浓缩区使我们可以推断，这些区域目前还在产生恒星。今天我们所看到的这①个气体星云的光大约还是日耳曼人民族大迁移的年代里所发出来的。因为这样的核心是在逐渐转变为恒星的，人们称之为“原恒星”。它的辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。密度和温度在升高，原子在丢失它们的外层电子，人们称它们为电离原子。由于落下的气体和尘埃形成了厚厚的外壳包住了它，使它的可见光不能穿透出来，人们从外面还看不到多少内幕。原恒星从内部照亮外壳。要到愈来愈多的下落物质都已经和核心联成一体时，外壳才会变成透光，星体就以可见光突然涌现出来。其余的云团物质还在不断向它落下，它的密度在增大，因而内部温度也往上升，直至中心温度达到1000万度而开始氢聚变。到了这个时候，原来那个质量和太阳相等的坍缩云团就变成了一颗完全正常的主序星：原始太阳，再往后的发展我们已经在本书前面讲过了。①原书用“民族大迁移”对德国等国读者合适，这里为了我国读者方便而加了“日耳曼人”。此事发生在4—8世纪；可见“简明德汉词典”（广东人民出版社，1979）中V■lkerwanderung一词——译者注。
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■在原恒星时期行将结束，尚未达到主序之前，能量就以对流的方式传送。在登上主序，成为原始太阳之前，太阳物质再一次发生大混和。这样一来，第5章里讲到的太阳的锂含量问题也就可以彻底解决。在混和过程中，这种容易破坏的元素的原子就会往内流入更高温区域，它们等不到星体变成主序星，就会发生图5…3所示的核反应而变成氦原子。自然界中恒星的诞生拉森的计算就讲到这里，这套计算包含了用计算机求解问题必须提出的所有各条理想化假设。那么这里所讲的演变对不对呢？它不仅是计算机表演，而且在自然界也真的发生吗？那么回到天上那些恒星还在诞生的所在地，回去看看那些蓝色强光度的年轻恒星吧！让我们在那里寻找恒星起源的痕迹，查访拉森计算所揭示的天体。蓝色强光度恒星非常热，它们的表面温度达35000度左右。因此它们发出的辐射能量非常大。它们的光量子能夺走星际物质中氢原子的电子，只剩下带正电的原子核也就是电离氢。强光度、大质量恒星使附近的气体物质电离。电离氢原子捕获电子时发出辐射，这样所产生的亮光使我们银河系中这些电离氢区引起人们的注意。它们的热辐射也可以用射电天文仪器测出来。射电观测有个优点，就是不受吸光尘埃物质的影响。在天上，星际物质受强光度、大质量恒星激发而放光的最漂亮实例还得数猎户座星云（见图12…1）。那里有没有和拉森的计算结果相关联的对象呢？人们应该去寻找什么？原恒星大部分时间被缓慢地落向它自身的尘埃外壳所遮盖。外壳上的尘埃物质吸收来自核心的辐射而获得能量，升温几百度，发出和这种温度状态相应的辐射。要找出这种热辐射，人们应当致力于红外波段的研究。1967年，帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院的埃里克·贝克林（EricBecklin）和格里·诺伊格鲍尔（GerrgNeugebauer）在猎户座星云中发现了一颗红外星，它的本身光度约为太阳的1000倍，辐射温度为700度。它的直径也许有太阳直径的1000倍左右。这可算得上是一颗原恒星的气体尘埃外壳模样了。近些年来人们愈来愈清楚地了解到，在银河系中产生恒星的场所，不仅有红外源而且还有射电波段致密辐射源。波恩的射电天文学家彼得·梅茨格尔（PeterMezger）和他的合作研究人员就曾在猎户星云中发现一批氢元素高度密集的区域。这些区域在发出特强的射电辐射，其中每立方厘米所包含的由氢原子中脱离出来的自由电子数比附近的一般猎户星云物质大致要多百倍。这种天体比起整个猎户星云来是非常微小的，据估计，其大小约相当于太阳直径的500000倍，也就是大约为拉森
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模型中落向核心的云团大小的1/4。人们在猎户星云区还发现了直径很小的，发出分子辐射，特别是水分子辐射的天体。这些分子的辐射处在射电波段，可以用射电望远镜观测到。它们也都处在很小的空间范围中，甚至只有太阳直径的1000倍。值得注意的是，拉森云团的初始直径有太阳半径的几百万倍！分子的射电辐射应该是来自核心区域。不过，在解释这个问题时还应认真谨慎。能够肯定的答案是，人们在猎户星云区观测到了由高度密集的气体和尘埃所成的天体，尽管它们在可见光波段并不引入注目，但其情况正好和拉森云团所应有的一样。不过，还有其他的论据支持这种密集物质射电源兼红外源就是原恒星的想法。不久前，在我们这个研究所里有一个以奥地利天文学家维尔讷·恰努特为主的小组，改进了方法，重复了拉森的计算。这些学者还计算了红外波段中辐射强度随波长的分布，所得结果和观测相符，人们似乎真的观测到了计算机所模拟的原恒星。既然我们对恒星起源的推测胜利在望，人们会问，是不是银河系中千亿恒星的起源全都可以这样来解释。图12…3概括地画出了我们这个恒星系统的结构。银河系圆盘并不包括一切恒星。最老的星散布在一个几乎是球状的空间范围里，叫做银晕。由其中的球状星团的赫罗图可以推知银晕恒星已届老年，它们的化学成分比起太阳来，重于氦的元素含量较少，往往还不及太阳的1/10。比较年轻的恒星全都位于银河系圆盘即银盘中，它们的物质包含重元素较多。重于氦的元素，即使在银盘恒星中也只占极少的百分比，然而它却为我们探明银河系的演变史提供了重要的线索。氢和氦从宇宙之始就已经存在，在某种意义上可以说是上帝安排的。重元素则肯定是后来在恒星中以及超新星爆发过程中产生的。可见银晕恒星和银盘恒星的化学成分差异和恒星中的核反应情况有关。在银河系刚形成之时或其后不久，银晕恒星便由几乎不包含重元素的物质中诞生出来。其中的大质量星演化得最快，它们所产生的超新星使星际气体沾染了重元素。可是这一代恒星中的小质量却演化得非常缓慢，以至它们的外层物质（以及它们之中的大多数星的中心区域）当前仍不包含重元素。在银晕恒星已经形成，其中质量较大的已经爆炸后，新一代恒星又从新增重元素的星际气体中产生出来。这些恒星诞生在银晕恒星之后，相对年轻，而它们的外层物质比银晕恒星的大气所包含重元素的比例要高。这就是为什么银河系中老一代恒星包含重元素比年轻一代恒星要少的原因。最新一代恒星的外层重元素含量最高，这是因为孕育它们的星际物质在银河系的演变史中经历了以前所有各代恒星所造成的沾染。那么，为什么含重元素贫乏的年老恒星出现在银晕中，而含重元素丰富的恒星则出现在银盘中呢？当前，人们相信自己对银河系结构的规律是了解的。为此我们要重温一下学生时代的一章物理课内容。
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角动量和坍缩云几条“守恒定律”大大简化了人们对物理世界的描述。在日常生活中人们反复不断地运用着这些定律而并不自觉。我们都记得在中学里所学过的质量守恒定律和能量守恒定律。这两条定律我们天天在用。我们大家都知道一个生�