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黑洞-第7部分
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英国科学家拉尔夫·富勒（RalPh Fowler）第一个把量子力学应用于天体物理。他在1925年提出，一个没有内部辐射压的恒星的引力收缩能够迫使所有电子占据所有可能的鼻子态，因而白矮星的收缩能被电子的简并压阻止。
紧随其后，威廉·安德森（William Anderson）证明，当密度超过每立方厘米1吨时，电子的速度接近光速。这时的电子被称为相对论性的，其运动服从狭义相对论，而不再是伽利略力学。由量子力学知道，对一个给定密度，相对论性粒子产生的压力比慢粒子的要小。这正是白矮星不可能具有任意大质量的根本原因。
这个导致理论天体物理革命性变化的重大发现是由印度天体物理学家苏伯拉赫曼彦·钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）作出的。在1931年的一篇著名论文中，他证明白矮星有一个最大允许的质量，并计算出来是1．4Mde这个结果引起了一场激烈的争论。爱丁顿斥之为荒谬，因为它意味着那些质量远大于太阳的恒星的命运变得秘不可知（钱德拉塞卡也有许多关于那些超常恒星内部结构的重要论文。他后来还同样成功地解决了许多别的天体物理问题，并获得了1983年的诺贝尔奖），然而钱德拉塞卡是正确的。按照当今的计算，诞生时质量高到SM的恒星仍能形成质量为1．4M。的白矮星，因为那些星在其～生中以星风的形式丢失掉如此多的物质，以至于其质量减小到钱德拉塞卡限度以下。质量更大的恒星的命运将在后面介绍预言中子星和黑洞存在的理论时予以阐述。
热的与冷的
白矮星，中等质量恒星演化的终点，在银河系中到处都能见到。估计它们目前占恒星总数的10％（即约100亿颗），而这个百分比只会随时间增大。
这一百亿颗白矮星中，只有几千颗已被记录在第。它们的光度非常低，只有那些最靠近我们的才能被探测到。寻找孤立自矮星的方法之一是研究自行很大，因而是距离较近的恒星，摄取它们的光谱以确定其颜色，再由它们在光度一颜色图（见附录1）上的位置就可以确凿地判定是白矮星或走低质量恒星。
让我们再进一步看看白矮星。它的质量越大（直到1．4Mk）的上限，半径就越小，因为引力有利于简并物质的收缩和压紧。在白矮星内，原子结构被破坏了，电子脱离了原子核的束缚，自由地在“简并海”中运动。尽管电子已极其密集，仍然有很多空间，原子核仍相互离得很远，与其本身大小相比，核的行为仍像空气中的分子。
白矮星的物理结构主要决定于电子海的情况，而热结构则决定于原子核的运动。由于简并电子是热的优良导体，整个白矮星内部就像一块炽热的金属。新形成的白矮星内部温度达到开氏1亿度，老的白矮星则降到几百万度。虽然温度如此之高，热能仍远小于电子的静质量能量。这表明温度对保持白矮星平衡的作用是微不足道的。事实上，尽管白矮星的温度比太阳还高，仍可正确地把它作为绝对零度来处理。
处在寒冷的星际空间，白矮星内部是由一个厚度为几公里的薄层来保护的，这个薄层是很不透明的、高度绝缘的，由温度低于10万度的非简并物质组成。这个温度虽比太阳表面高10倍，但由于发射面积很小，总光度也就很低，白矮星就成了很难在远距离上探测到的阴暗幽灵。
结晶成黑矮星
由于没有热核反应来提供新能量，白矮星在发出辐射的同时，也以同样速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。起初，非简并的原子核像普通气体中的分子一样自由运动，它们的动能决定着温度。由于辐射，动能逐渐丢失，这样，一个关键时刻终将到来，那就是核的剩余动能已小于其静电能，核就会被囚禁在一个刚性结构里。运动逐渐慢下来，核组成为一种晶格，而简并电子继续在晶格中自由运动。年老的白矮星最终停止了辐射，变成一个比钻石还要硬的巨大晶体，这就是黑矮星。
白矮星的变暗过程是如此之慢，自70亿年前宇宙划生和第～批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需要极大的耐心。太阳现正处在其主序阶段的中点，还要经过50亿年才到行星状星云那样的“高龄”，它将再短暂地活跃10万年，然后成为一颗白矮星并在100亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星而永存。
再度辉煌
像太阳这样的单个恒星是少数，银河系里的恒星多数都以双星方式存在。还有的是三颗、四颗或五颗由引力紧密地联系着。白矮星天狼B星有一个伙伴，但相隔太远，彼此没有什么影响。作为一个孤独的白矮星，天狼B星很可能注定要无可挽回地冷下去。但是，如果两颗星靠得足够近，白矮星的长期演化就会被改变。
导致改变的主要原因是两颗星之间的物质转移。白矮星的那个伴星，如果是很靠近，或者是在大膨胀状态（红巨星），其表层物质就会被白矮星的引力吸过去。一般说来，由于双星轨道运动的离心力，吸过来的物质不会直接落到白矮星表面，而是环绕白矮星形成一个大致扁平的结构，叫做吸积盘（图19）。从伴星继续到达的气体流对盘的撞击会导致很强的局部加热，形成热斑。热斑可以像恒星那样亮，从而成为白矮星存在的间接证据。在别的情况，尤其是如果白矮星是高度磁化的，盘不能形成，而气体沿着磁力线偏转并落向白矮星的两个磁极。气体到达白矮星表面时的撞击会产生快速变化着的光学、紫外甚至X射线辐射，白矮星就会闪烁不定地变亮，因而可以被看见，这样的双星系统被称为激变变星。
这样一种相对稳定的安排会被一个强烈而又突然的活动期所打断，其结果就表现为一颗新星。这个名称本来是指一类光度突然变大接着又缓慢暗淡下去的星。实际上，新星包含各种不同的类型，涉及很大范围的现象，但都与一个双星系统中的致密星有关。
新星的机制几乎可以肯定是一种表面热核爆发。气体连续不断地落到白矮星表面，并被引力场所压缩和加热。当物质积累到一定程度时，作为其主要成分的氢突然聚变，白矮星外层爆发。在几个星期的时间内，白矮星光辉夺目，以至于那些远在银河系边缘上的白矮星也能被观测到。
有些新星是再发的，就是在相隔几个月后重复爆发。其余的新星则只爆发一次，并释放出大得多的能量。迄今观察到的最明亮新星之一是天鹅座1975新星，它以太阳100万倍的光度照耀了三天。爆发强度与再发周期之间的这种关系证实了双星中物质转移的模型，因为释放的能量是对已积累在白矮星表面的物质总量的量度。
一颗“正常”星和一颗“致密”星之间物质转移的机制在许多高能天文现象中起着关键作用。第四篇里将更详细地叙述这～点，因为密近双星系统有时能提供黑洞存在的强有力证据，否则这些黑洞是完全不可见的。第六章 超新星
核阶梯
自然界的元素不只是氢、氦、碳和氧，生命物质、木材、土壤和岩石中都含有一些硅、镁、硫、磷、铁和其他重原子，这些原子的核中都有20个以上的质子和中子。如果这些元素不能在太阳和大多数恒星里制造，它们又是来自何处呢？
仍然是来自恒星，不过只是很小一部分恒星，即质量最大的那些。只有在离开主序时质量超过SM的恒星才能制造重原子核。恒星中被外层重量压紧的核心就是“炼金炉”，原料就是氢和氦燃烧的“炉渣”，即碳和氧，冶炼过程在温度升到6亿开氏度时开始。
在这个温度上碳再也保不住了，相互猛撞并聚合成氛和镁，一条生产线就此建立，因为每个新的热核反应都释放更多的能量，使温度升得更高，从而使新的转变成为可能。在10亿度时，氖核夺得一个氦核而形成镁，在15亿度时氧也开始燃烧，产生一系列更重的元素：硫、硅和磷，在30亿度时硅燃烧，并引发几百种核反应，使炉子里的温度越来越高。在再往后的几千种反应的熊熊烈火中，更重也更珍贵的元素被制造出来。这是恒星生命的最后阶段，这些反应的突发性也越来越强，越重的元素燃烧的时间就越短。对于一个质量为25M的“模型”星，碳的燃烧持续600年，氛是1年，氧是6个月，而硅只有1天。
巨型“洋葱头”
核转变并不能就以这种速率无限制地继续下去，反应的洪流最后都朝着～个元素汇集：铁。铁的原子核报特殊，其中的56个质子和中子结合得如此紧密，没有一种聚变能量能使它们分开，铁就成了大质量恒星核心的最后灰烬。
现在的恒星由一个已停止热核反应的核心和仍在接连地燃烧的外层组成。恒星只得不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个巨大的尺度，成为红超巨星。
红超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把这样一个星放在太阳系中心，它将吞没所有行星，包括远在扣亿公里外的冥王星。红超巨星的内部结构有时被描绘成像一个洋葱头，因为它包含许多在燃烧着不同化学元素的同心层。最轻的元素在温度最低的外层燃烧，而最重的元素在紧贴着那个呆滞铁核的内层燃烧。
中子化
虽然铁核的温度在10亿度以上，却没有能量从中流出。它太“冷”了，不足以使超巨星维持引力平衡，铁核就会被压得更紧密，其中的电子成为简并。当简并电子的巨大压力能暂时地支持外层的重量时，恒星活动会出现一个间歇。
但是我们记得，简并电子不能支撑超过1．4／的质量，超过钱德拉塞卡极限就不可能有引力与电子压力的平衡。新的铁会继续不断地在紧靠超巨星核的层里产生，由于重量大，这些铁会下沉并进入核心。当核心里铁和简并电子的质量一超过钱德拉塞卡极限，那个致命的时刻就来到了。
所有质量大于10M（包括核和外层）的恒星都能产生出一个质量在1．4M以上的核，这时的密度达到10记克／立方厘米。电子已简并的核突然塌陷，剧烈收缩，在十分之一秒内，温度猛升到50亿度。涌出的光子带有如此大的能量，以至于将铁原子核炸开，蜕变成氨原子核。这个过程叫作光致蜕变。
与增大原子核尺度并释放能量的核聚变反应不同，光致蜕变使原子核破烈并吸收能量。恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡无情的重压，温度持续上升，直到氦核本身也蜕变成其基本成分：质子、中于和电子。在这样的高温下，电子的速度接近光速，因此，虽然处在简并态，电子变得更不能阻挡压缩力，在0．l秒里它们被挤压到与质子结合在一起。二者的电荷相中和，变成为中子，同时迸发出巨大的中微子流
中微子（即微小的中性粒子）是泡利于1931年预言而在1956年才被后人实际探测到的一种基本粒子。通常情况下，中微于几乎不与其他物质发生相互作用，因而能够飞行很大的距离而不被阻挡或改变路径。但在大质量恒星的内向爆炸的核心，中子化所释放的中微子洪流具有巨大的能量，使得恒星外壳也受到震动，并吸收相当大一部分中微子，其余的中微子则以光速逃离恒星，并毫无阻挡地超过星际空间。
中子和质子一样，也是原子核的一种成分（即是一种核子）。它在1932年才被发现，因为它单独存在时很不稳定。一旦它从原子核里分离出来，就只有很短的寿命，在大约10分钟后自动蜕变，失去其电中性，产生出一个质子、一个电子和一个反中微子（反中微子是中微子的反粒子，自由中子的蜕变是坍缩恒星核心发生的质子俘获电子反应的逆反应）。
现在，最重要的时刻来到了：中子的自旋是半整数，是一种费米子，像电子一样服从泡利不相容原理。但是，中子的“占据体积”要小得多，两个中子之间的间隔可以小到10－”厘米，也就是说，中子可以互相碰到。于是，中子化就伴随有一场物质的内向爆炸和密度朝着简并态的巨大增长。恒星开始坍缩的0．25秒后，密度达到10’‘克／厘米3（相当于在一只缝纫顶针里有1亿吨质量）。这正是原子核的密度，就像是通常物质中的电子都被移去，而原子核互相挨在一起。在恒星核里再没有任何“真空”留下，恒星核就成了一种主要由中子组成的巨大原子核，这种远比白矮星紧密的新的物质简并态，就叫做中子星。
爆发
物质一旦达到核密度，就不可能再作任何进一步的压缩。恒星的非中子化外层以大约4万公里／秒的速度落到其中子化核心的表面，在那里撞上了一堵无比坚硬的墙。外层物质被突然挡住，并反弹回来，形成冲击波（冲击波是一种不连续释在介质中的传播，这个锋导致介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式改变。在自然界，所有的爆发情况都伴有冲击波，冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速时发生。一架飞机的速度超过330米／秒，“声屏障”就被打破，同时伴随有一个在大气层传播的冲击波，并产生一个声“爆炸”）。
在引力坍缩中，随着外层物质的弹回，冲击波由中心向外传播，并在几天后到达恒星表面。它带有极其巨大的能量，毫不含糊地把恒星整个外区轰得粉碎，并沿径向向外吹得四散。我们的25M的“模型星”将喷射掉24M的质量，只剩下一个l／①的中于星。这个现象就称为超新星。
超新星爆发的这种激烈程度的确令人难以置信。它在几天内所倾泻的能量就像恒星在主序期的几亿年里所辐射的那样多。它的光度增大数十亿倍，因此在几天里这颗“新”星看上去就像一整个星系那样明亮。
相比之下，伴随着恒星收缩为白矮星而发生的行星状星云现象就显得是一种很平静的死亡，是一种次级葬礼；超新星爆发则是一种壮烈的死，喷射出更多的灰烬，而留下一具更紧密的星骸。
超新星吹出的气体不仅给星际介质送来了在“洋葱头”里形成的丰富的重元素，而且对星系演化起着比行星状星云更重要的作用。巨大分子云中整代恒星的诞生就是由附近的超新星爆发所引发。50亿年前，当太阳以及与之相随的小行星、流星、若星和行星从原初云中产生出来时，银河系的年龄已有100亿年，许多大质量恒星已经烧光，它们的灰烬已遍布于银河系内。今日地球上的重元素就是从那些早已消失的恒星的核里来的。
观察超新星
超新星现象当然不限于我们银河系里的大质量星。但由于现亮度随距离急剧减弱，只是在本世纪的大望远镜出现后，才能观察其他星系里的超新星爆发。迄今为止，在几十万个邻近星系中，已看到几百个超新星，平均每个月出现两个，可以估计出一个星系里超新星爆发的频率大约是每百年4个。
用肉眼只能看到银河系内的星。有文字记录的天文观察已经2000年了，在这段时间里银河系应该有100个左右超新星爆发，但只有很少几个被记录下来。
造成这个大差额的主要原因是太阳系位于银河盘面上（即在夜空里看到的那条亮带）。银河盘本来正是大多数产生超新星的大质量恒星所在的地方，但由于盘上大量尘埃对可见光的吸收，光的穿透程度大为降低。从地球上只能探测到盘面上几百光年的距离，也就是说只能进�
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