我們常說，萬物生長(zhǎng)靠太陽。太陽是對(duì)地球、生命和人類最重要的天體。但隨著天文學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)在銀河系中至少有超過1000億顆恒星，而太陽只是其中一顆極其普通的恒星。從日心說到現(xiàn)代天文學(xué)，我們對(duì)太陽和恒星的認(rèn)識(shí)成為我們探索宇宙的重要組成部分，在這個(gè)過程中，我們也在不斷重塑自身的宇宙觀。

英國(guó)萊斯特大學(xué)天體物理學(xué)榮休教授安德魯·金在《恒星》一書中，以簡(jiǎn)明扼要的筆法講述了恒星的誕生、演化和消亡，揭示了中子星、黑洞這些奇異天體的秘密。在下面的文字中，他就講述了天文學(xué)家如何尋找恒星的遺體。特別是，一千年前我國(guó)宋代天文學(xué)家對(duì)天象的記錄如何為一項(xiàng)現(xiàn)代天文學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)提供了佐證。

由恒星演化理論可知，恒星只會(huì)以三種方式結(jié)束一生：白矮星、中子星或者黑洞。我們發(fā)現(xiàn)白矮星是可以直接觀測(cè)到的。中子星則太小了，表面積是白矮星的一百萬分之一。如果溫度也相近，那它們就極其暗淡，很難被看到。而根據(jù)定義，黑洞完全不輻射。我們能確定這種奇怪的天體真實(shí)存在嗎？后面會(huì)看到，大量證據(jù)表明它們確實(shí)存在。我們會(huì)在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)，黑洞在塑造我們周圍宇宙的結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了尤為重大的影響。

脈沖星

中子星存在的第一個(gè)具體證據(jù)，得自于一項(xiàng)為其他目的設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。射電天文學(xué)建立于第二次世界大戰(zhàn)后，早期的射電源大多是遙遠(yuǎn)的星系。天文學(xué)家意識(shí)到，他們探測(cè)到的射電信號(hào)會(huì)在穿過太陽吹出的稀薄氣體（即太陽風(fēng)）時(shí)受到影響。這種氣體很容易被行星磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，而在四處快速運(yùn)動(dòng)。這不會(huì)對(duì)觀測(cè)遙遠(yuǎn)星系帶來太多不便，因?yàn)樯潆娸椛浣?jīng)過長(zhǎng)時(shí)間累積，平均下來會(huì)消除行星際氣體的干擾效果。不過，如果射電望遠(yuǎn)鏡很靈敏，可以在很短的時(shí)間內(nèi)（比如幾秒鐘）探測(cè)到遙遠(yuǎn)的射電源，那它就能觀測(cè)到這種行星際閃爍，供天文學(xué)家研究。

要點(diǎn)在于，這是天文學(xué)家第一次有意觀測(cè)如此快速變化的現(xiàn)象。天文學(xué)似乎是這樣的學(xué)科：重大的變化動(dòng)輒上百萬年，就算是行星的軌道運(yùn)動(dòng)也是以月和年來計(jì)算。當(dāng)然，沒有人能預(yù)測(cè)之后會(huì)發(fā)生什么。1967年的某天，劍橋大學(xué)研究生喬瑟琳·貝爾正在檢查某臺(tái)儀器的輸出結(jié)果。這臺(tái)儀器是為研究行星際閃爍而設(shè)計(jì)的。這時(shí)，她注意到一段有規(guī)律的射電脈沖，每秒從天空中的某個(gè)固定位置發(fā)射一次。位置固定，說明它必然來自某個(gè)天體，而不是來自地球或行星上的物體。但這種極其快速而又規(guī)律的信號(hào)則是前所未見的。一陣疑惑過后，事情明晰了起來。

▲喬瑟琳·貝爾

要生成非常規(guī)則的信號(hào)，最明顯的方式就是旋轉(zhuǎn)。如果在球上涂一個(gè)點(diǎn)然后再轉(zhuǎn)動(dòng)它，就能以規(guī)律的間隔看到這個(gè)點(diǎn)。恒星上的點(diǎn)隨恒星自轉(zhuǎn)，也同樣如此。但恒星的自轉(zhuǎn)速度有一個(gè)極限：一旦赤道處的離心力大過引力，恒星就會(huì)變形。質(zhì)量相同的情況下，恒星越小，極限速度就越快，因?yàn)槌嗟郎系囊Ω蟆Ｋ?，恒星越致密，這個(gè)點(diǎn)重現(xiàn)的速度就越快。喬瑟琳·貝爾觀測(cè)到的周期是一秒，這就需要發(fā)射信號(hào)的那顆脈沖星（很快它們就被這么命名了）具有比白矮星還高得多的密度。而且發(fā)現(xiàn)更多脈沖星后，密度極限很快變得更高了。喬瑟琳·貝爾的博士論文導(dǎo)師安東尼·休伊什因發(fā)現(xiàn)脈沖星而在1974年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

雖然1930年代就有了關(guān)于中子星的理論設(shè)想，但只有很少的天文學(xué)家知道或記得這回事。不過，脈沖星需要的巨大密度讓人們迅速對(duì)其重拾興趣。理論家們很快意識(shí)到，中子星很可能具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，因?yàn)榧词钩跏即艌?chǎng)很弱，也會(huì)在達(dá)到中子星密度前的高度擠壓過程中被極度放大。再加上星體高速旋轉(zhuǎn)，它會(huì)在中子星表面某個(gè)固定位置產(chǎn)生一束射電輻射。這束輻射就像我們之前設(shè)想的球上的點(diǎn)，解釋了脈沖星為什么會(huì)發(fā)射脈沖。脈沖星不光是中子星，還是一類以全新方式發(fā)光的恒星：不像大部分恒星那樣靠?jī)?nèi)部核反應(yīng)，也不像白矮星那樣靠余熱發(fā)光。脈沖星的能量來源是自轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖星因輻射而損失能量時(shí)，它們的自轉(zhuǎn)也會(huì)變慢。也就是說，兩次脈沖間的周期必然會(huì)變長(zhǎng)。當(dāng)然，與每次脈沖相比，周期變長(zhǎng)的過程非常緩慢，因此我們無法直接看到脈沖變慢。不過，一旦知道它有可能會(huì)這樣，我們就很容易測(cè)出它的增量——脈沖周期非常短，每天有上千次脈沖。所以，只需幾小時(shí)就可以非常精確地測(cè)出兩次 脈沖的平均間隔時(shí)間，也就是周期。將這次的測(cè)量結(jié)果與之后的比較，就可以得出極小的變化，還有脈沖星自轉(zhuǎn)減慢的速率。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星的自轉(zhuǎn)減速總是隨時(shí)間的推移變得越來越慢，因此自轉(zhuǎn)慢的脈沖星要花更長(zhǎng)時(shí)間才能讓脈沖周期增加一定比例。相反，快的脈沖星，自轉(zhuǎn)也會(huì)更快變慢，所以它開始脈沖的時(shí)間必定相對(duì)較近。我們只須用脈沖周期除以它變慢的速率，就可以估算這個(gè)時(shí)間究竟有多近。得到的結(jié)果就是脈沖星年齡的一種度量依據(jù)。

第一顆脈沖星被發(fā)現(xiàn)后，人們很快又發(fā)現(xiàn)了一顆，它位于著名的蟹狀星云（一顆超新星的殘?。┲醒?。它的脈沖很快（每秒30次），預(yù)估壽命很短，數(shù)量級(jí)是一千年。中國(guó)的天文學(xué)家記載了1054年蟹狀星云超新星的爆發(fā)。雖然它在天空產(chǎn)生的光斑像金星一樣亮，但顯然，西方世界完全沒有記錄這場(chǎng)劇變。中國(guó)的觀測(cè)起到了關(guān)鍵作用：記錄的真實(shí)年齡與根據(jù)脈沖星自轉(zhuǎn)減速估算的年齡非常相近。毫無疑問，那顆脈沖星就是旋轉(zhuǎn)著的中子星，而且誕生于那次超新星爆發(fā)。愛發(fā)牢騷的瑞士裔美國(guó)天文學(xué)家弗里茨·茲威基早在1930年代就提出，超新星是中子星的出生地。他活著看到了自己的觀點(diǎn)得到證實(shí)，但沒有看到之后人們確認(rèn)了他的另一個(gè)想法：宇宙中大部分物質(zhì)是“暗”的，因而無法通過引力效應(yīng)之外的手段探測(cè)。

▲蟹狀星云

吸積

甚至在發(fā)現(xiàn)脈沖星之前，把中子星和黑洞視為真實(shí)存在的天體的觀點(diǎn)就已經(jīng)在逐漸流行了。這是因?yàn)榱硪粋€(gè)特征（歸根結(jié)底它也更加基礎(chǔ)）：中子星和黑洞表面附近有巨大的引力。如果物質(zhì)能從離中子星一定距離的位置由靜止?fàn)顟B(tài)開始掉落，那么強(qiáng)大的引力會(huì)讓它在落到中子星表面時(shí)，速度達(dá)到光速的三分之一。物體與表面碰撞后，會(huì)以輻射的形式釋放所有能量。僅一千克以這種方式撞向中子星的物質(zhì)，就能釋放1016焦能量，比相同質(zhì)量的氫聚變?yōu)楹に尫诺哪芰窟€要高大約20到30倍。

存在一種自然的方式，使得氣體這樣落到中子星上。大質(zhì)量恒星大多并不孤立，而是屬于一個(gè)雙星系統(tǒng)，兩顆恒星相互繞轉(zhuǎn)。如果其中一顆是正常恒星，另一顆是中子星，而且它們相隔不遠(yuǎn)，那么正常恒星的氣體就有許多種方式流向中子星。我們會(huì)在之后做詳細(xì)討論，這里需要先仔細(xì)研究氣體如何下落。

正常恒星上最靠近中子星的那部分氣體最容易落向中子星，這是非常自然的，因?yàn)槟抢锏囊ψ顝?qiáng)。但既然正常恒星在繞中子星做軌道運(yùn)動(dòng)，那么離開它的氣體也會(huì)做軌道運(yùn)動(dòng)。如果只有一個(gè)氣體粒子落向中子星，那么它會(huì)沿一條橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，從而非?？拷凶有恰Ｒ?yàn)橹凶有呛苄?，氣體粒子可能會(huì)錯(cuò) 過它，然后繼續(xù)沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。但實(shí)際上，我們不只有一個(gè)氣體粒子，而是有一束粒子流爭(zhēng)著沿同一條軌道運(yùn)動(dòng)。氣體流錯(cuò)過中子星，但等到它們轉(zhuǎn)完一圈回到正常恒星上時(shí)，領(lǐng)頭的部分就會(huì)與剛剛離開恒星的那部分氣體流相撞。在碰撞過程中，氣體用于軌道運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能會(huì)有不少變成熱能，輻射到太空中。

但這種內(nèi)部碰撞無法消除氣體繞中子星的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，除非雙方的質(zhì)量相同、方向相反，以正面相撞。結(jié)果是氣體最終沿圓形軌道繞中子星旋轉(zhuǎn)。氣體的內(nèi)耗使氣體擴(kuò)散到一個(gè)環(huán)繞著中子星，且位于雙星軌道平面上的圓盤中。在圓盤內(nèi)部，大部分氣體都在緩慢地螺旋向內(nèi)移動(dòng)。這樣，它們會(huì)更加靠近中子星，同時(shí)也在不斷損失引力能。這些能量只有一個(gè)去處——耗散為熱量，然后從氣體盤的兩面輻射到太空中。等到氣體到達(dá)中子星，它們以輻射形式釋放的能量正好就是直接落到中子星上應(yīng)當(dāng)損失的引力能的一半，這依然是個(gè)很大的量。引力能的另一半作用于旋轉(zhuǎn)，使氣體在向內(nèi)下落時(shí)加速，正好符合我們?cè)诘诙轮刑岬降奈涣Χɡ怼５葰怏w落到中子星上，這些能量也會(huì)以輻射的形式被釋放出來。

天文學(xué)家將這個(gè)螺旋狀的氣盤稱為吸積盤，因?yàn)橹凶有菚?huì)在這個(gè)過程中逐漸吸積，也就是獲得物質(zhì)。中子星這類致密天體往往會(huì)通過吸積盤實(shí)現(xiàn)吸積，因?yàn)闅怏w下落時(shí)總會(huì)有些旋轉(zhuǎn)。黑洞比質(zhì)量相近的中子星還要小，它的吸積顯然也是這樣。現(xiàn)在，這向我們展示了天文學(xué)家如何去做一件看似不可能的事情——實(shí)際觀測(cè)到黑洞。如果我們將上一段的中子星換成黑洞，唯一變化的就是氣體到達(dá)吸積盤中央時(shí)發(fā)生的事情。此時(shí)，它會(huì)徑直落入黑洞，而不是打在中子星那種堅(jiān)硬的表面上。但要記住，到這一步時(shí)，氣體已經(jīng)釋放了一半可用的引力能，這是一個(gè)很大的量。其實(shí)，黑洞吸積過程中釋放的一半引力能比中子星吸積過程中釋放的那一半更大，因?yàn)橄嗤|(zhì)量下黑洞更小，可以讓氣體螺旋進(jìn)入更強(qiáng)的引力場(chǎng)。因此，黑洞的吸積過程最終會(huì)以極高的效率（和中子星相當(dāng)）將吸積質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚蠹s是每千克1016焦。探測(cè)吸積黑洞的方式應(yīng)當(dāng)與探測(cè)吸積中子星的方式相同。

（本文節(jié)選自《恒星》第六章“尋找恒星的遺體”，配圖和標(biāo)題為編者所加）

書名：《恒星》

?♂? 作者：[英]安德魯·金

翻譯：楊晨

內(nèi)容簡(jiǎn)介

恒星是由什么構(gòu)成的？太陽如何在漫長(zhǎng)的歲月里持續(xù)發(fā)光？天文學(xué)家如何利用恒星來探測(cè)宇宙特性？脈沖星、超新星爆發(fā)、γ射線暴等奇特的天體或天文現(xiàn)象是怎樣形成的？諸多疑問盤桓多年，讓人類對(duì)迷人的恒星科學(xué)展開了長(zhǎng)久的探索。

在本書中，萊斯特大學(xué)天體物理學(xué)榮休教授安德魯 · 金將為你揭示，恒星是如何形成的，以及物理定律如何驅(qū)使恒星演化，使它們經(jīng)歷一個(gè)個(gè)階段走向成熟，直至那無可逃避，但有時(shí)也無比壯麗的死亡來臨，最終化為黑洞等天體。作者特別指出，探究恒星的本質(zhì)，對(duì)我們理解宇宙、理解自身至關(guān)重要。