恒星的结局

空中自由而静止地悬浮着一个黑色的圆形物体。实际上，这个东西看起来一点也不像一个球，它给人的印象倒像一处无底洞。是的，这不是别的什么东西，这是一个词。刹时间刮起一阵鳆狂啸，愈来愈响，因为厅内的空气正被吸入球中，小纸片、手套，妇女面纱——统统被卷了进去。一个民兵把军刀插进这可帕的洞中，兵器竟然像融化掉似地失踪了。

古斯塔夫·迈林克（Gustav Meyrink）

“黑球”，1913 年

脉冲星和 X 射线源告诉我们，自然界存在着中子星。蟹状星云那里的超新星爆发就遗留下一颗中子星。可是 1054 年的那次爆发是怎样发生的呢？总有一天会在我们银河系内再出现一次超新星①，那时我们就有可能查明究竟是什么东西爆炸了；因为我们可以在以前拍摄的天文底片上去寻找，是哪一颗星在一片烟云中崩散而留下一颗像陀螺般自转的微小中子星

②。

在这样的时机尚未来临之前，我们只好局限于推测。我们可以重新认识由计算机所得出晚期演化恒星的模型，并且提出问题：恒星向其大灾难演变的过程是否可以预测？

大质量恒星的铁心灾变

超过 10 倍于太阳质量的大质量恒星演化得极快。只要几百万年，氢就消耗完了。其后是氦燃烧成为碳，不久碳原子又转化为更重的原子核。所有这些核反应都放出能量，但是这些过程的产能程度一个不如一个。它们必须一个比一个更快地推进，以维持恒星的辐射功率不减。愈来愈复杂的原子核接踵而生，难道这种过程就没有个尽头吗？

自然界在元素铁处设置了一种极限。我们已经知道，核反应的参与元素愈重，产能愈少。恒星中的核反应堆到铁原子核就停产了。对于铁原子

① 说到在近处出现一次超新星，恐怕我们要有所戒备才行。纽约哥伦比亚大学的梅尔文·A·鲁德曼

（MelvinA·Ruderman ）曾估计说，在大约 30 光年以内发生超新星爆发会造成致命的后果。由这种爆发射来的高能粒子流将破坏地球大气的臭氧屏障，太阳的紫外辐射将不受阻挡地闯到地球表面，迟早会毁灭地球上的生命。

② 1987 年 2 月 24 日，人们在大麦哲伦云中发现了一颗超新星。虽然它并不处在银河系内，可是它与我们的距离只有哈特维希 1885 年在仙女座星系中所发现超新星的大约 1/10。这一次，人们似乎可能在以前的照相底片上辨认出它在爆发前留下的踪影。由此而来，超新星研究也许就会在近几年内面目一新。

核，如果人们用恒星中存在的别的原子核去加以熔炼，非但不会产生能量，相反地还要为此耗费能量。即使要把它打碎，人们也必须给它输送能量。

这是由于原子核的一种特性所致。重核，例如铀原子核是在裂变时产能，反应所得原子核的重量更接近于较轻元素铁原子核的重量；轻核则是在聚变时产能，即所生新核的重量更接近于铁原子核的重量。唯独由铁本身来提取核能是不行的。

■

当大质量恒星中元素聚变的过程进行到中心区成为气态铁组成的一 个球体时，将会发生什么变化呢（参见图 11-1 左方）？铁原子核会捕获气体中来回飞驰的电子，铁球就收缩。这是因为其中重力与气体压力本来相互平衡，电子是形成气体压力的主因。当电子被捕消失在原子核中时， 重力对比气体压力就占上风，直到恒星中心区的气态铁球终于崩陷坍缩。人们推测，认为铁球中的物质积聚到约为太阳质量的 1．5 倍时就开始了这种演变，它一直持续下去，直到在极高密度条件下各种基本粒子充分挤压，终于使所有的质子和电子都合并成了中子，于是只剩下了中子物质： 恒星内部的高密气态铁球变成了中子星。这种事件所释放的惊人能量可能把该星的外壳物质以巨大的速度抛向空间。恒星爆炸了，烟云向各方飞 散，当中留下一颗中子星。这颗星以一次超新星爆发结束了它的一生。

在一些地方，像美国芝加哥和利弗莫尔（加利福尼亚州）以及慕尼黑， 人们试图用计算机探明这种事件。这种计算尽管比那种恒星正常缓变演化阶段的计算要难得多，却是特别吸引人，因为人们推测，存在于自然界的许多化学元素会在这种爆炸时所发生的核反应中形成。很可能比氦更重的所有元素都是从前某些时候，不是在恒星平静聚变时期，就是在超新星爆发的短促瞬间产生出来的。

上面所讲的推理只适用于大质量恒星。小于太阳质量 10 倍的恒星在聚变过程中决不会达到铁核心的阶段，它们在此以前就陷入困境，这可能使它们也得经历超新星爆发。这种演变的原因就在于它们内部会形成白矮星（第 7 章讲过），而白矮星具有一种与平衡相关的十分奇特的性能。

白矮星假想实验

人类的生活归功于太阳和地球中的引力与压力平衡。一般情况下人们可以信赖这种平衡。作为一种假想实验，如果把太阳稍加压缩，那么由于其中物质相互挤压，引力就会变大，但是内部的压力也就升高，甚至超过引力，因而会使太阳恢复故态。反之，如果太阳受某些干扰，而体积暂时变得稍大，那么膨胀会使引力减小，因为相互吸引的质点之间的距离拉大了一些；然而压力随之降低，比引力更甚，这就会促成太阳回到原状。所

以我们说过，人们可以对太阳内的平衡局面放心。科学地说这就是：这种平衡是稳定的。但是并非所有的恒星都处在这样牢靠的状态。白矮星虽然也算稳定，但很容易转化为不稳定。

早在人们了解恒星如何演化之前，比人们知道恒星内部氢变为氦的核反应还早好几年，而且，在人类尚未使用计算机模拟恒星以前，就有一位24 岁的印度人在英国剑桥解出了反映白矮星结构的方程组。他名叫萨布拉曼扬·钱德拉塞卡，1910 年生于拉合尔。当他还是马德拉斯大学的一个年轻学生时，就已才华出众，他的一篇论文在一次竞赛中得奖，获得的奖品是爱丁顿的名著《恒星的内部结构》。看来这影响了他此后的全部生涯。至今他已经在天体物理学的许多分支领域作出了重要贡献。由于他在白矮星理论方面所取得的成就，1983 年钱德拉塞卡荣获了诺贝尔物理学奖。是他指出了白矮星不能由任意多的物质来构成。下面用假想实验的方式来讲讲这件事。

让我们假想自己是某种庞然大物，能够拿恒星来作实验。我们能够轻而易举地从一颗星取出物质并把它注入另一颗星。白矮星天狼 B 绕天狼 A 运行，现在就让我们飘浮在天狼这对双星的附近某处。天狼 B 星质量接近太阳而比太阳小，它的半径只有太阳半径的 7‰。假设我们存有大量白矮星物质，并且会慢慢地把这种物质移至这颗白矮星表面上使它的质量增 大，我们就会看到它的体积由于质量增大而缩小。当我们注上去的物质多到了使这颗白矮星达到太阳质量的 1．33 倍时，它的半径就会缩到只有太阳半径的 4‰。不管我们加注物质有多么小心，随着质量的增大而体积缩小的势头愈来愈猛，白矮星内部压力对引力的抗衡能力愈来愈差。星体继续缩小，可是，由于引力不断增强，一切变得更糟。质量大到太阳的 1.4 倍时，引力终于占了上风，星体失去平衡。这一临界质量称为钱德拉塞卡极限质量。一经超过这个极限，天体就在几秒种内崩溃坍缩。原来由电子与氦原子核组成的气体密度增高，我们已知的一种过程随即开始：飞近原子核的电子闯了进去，把其中的质子中和成中子，原子核发生裂变。于是中子构成了坍缩中的物质。同时坍缩速度不断增长，中子以高速射向中 心。一直要到星体物质压缩到半径只有大约 10 公里时，中子气体的压力才会增强到足以抵挡引力，使坍缩止住，星体物质的宏观向心运动停息。这种运动的能量变成辐射外逸，出现一个平衡态天体。既然它主要由中子组成，它就是一颗中子星。

这就是我们的假想实验。我们把物质人为地移到白矮星上，但是这种实验并不是那样彻底地违反自然规律。我们已知白矮星会在红巨星内部形成，构成白矮星的物质业已经历了氢聚变，可能也已经历了氦聚变。这种白矮星的表面附近的氢还在聚变为氦。外围的未耗物质愈来愈大量地发生氢聚变，可能还有氦聚变，产物不断并入高密度白矮星核心区，使白矮星质量增大。就像我们的假想实验那样，物质一批又一批地添加上去，为白

矮星所积聚（参见图 11－1 右方）。当它的质量超过太阳的 1．4 倍时， 即它达到钱德拉塞卡极限，行将坍缩成中子星时，究竟会发生什么样的变化呢？

有的学者认为，在这种情况下完全不会产生中子星，因为在此以前有可能发生一次碳爆炸。人们对碳爆炸暂且还所知甚少。假定我们讨论的红巨星的白矮星核心区主要由碳组成，那么早在中子星形成以前，可能等不到白矮星坍缩，碳就点燃，发生爆炸而使整颗星破碎。在这种超新星的爆炸烟云中人们不会找到中子星，由彼处传到我们这里来的不会有什么脉冲星信号。事实上人们既没有能在第谷超新星处也没有能在开普勒超新星处找到脉冲星，尽管这两处的爆云都比蟹状星云更为年轻。围绕地球运行的人造卫星“爱因斯坦天文台”在仙后星座测得一颗超新星爆发后的残余， 爆发于仅仅 300 年前的这一事件由于吸光尘云的遮挡而没有被人类所注意。爆云之中看来并没有中子星，那里是否就是一颗星发生了碳爆炸而崩毁了？

所有质量较小恒星的结局都是一次碳爆炸吗？当前还没有人能作出确切的回答。也还有另外一种可能，碳点燃后相当平稳地进行核反应，恒星并不碎裂。那么恒星中心区的白矮星质量会愈来愈大，直至达到其极限质量而像我们的假想实验那样坍缩成一颗中子星。如同铁心灾变的情形一样，这时所释放的能量用来安排一次超新星爆发将会绰绰有余。也许正是这种过程造就了 1054 年的中国超新星，进而形成了蟹状星云。它的演变史可能是这样的：

从前有一颗 5 倍于太阳质量的恒星，氢聚变于其中心区；在该处的核燃料耗尽后，它演变成一颗红巨星。后来它的中心部分氦点燃起来，直至耗完，并形成了一个碳中心区。恒星的内部有一碳核被氦核壳层所包围， 碳核的物质密度高如白矮星。氦壳层表面附近氢聚变为氦，而氦碳交界面附近氦聚变为碳。作为核心的碳球实质上已是白矮星，它的质量在这样的环境中不断增长，同时红巨星中心区这个碳球又不断缩小；当它的质量在1054 年增长到约为太阳的 1.4 倍时就发生坍缩，即使碳聚变也不能顶住， 巨额能量释放出来，外层物质在这次爆炸中向各方飞散，成为现在还位于该处天空的蟹状星云。至于那颗白矮星，它在一分钟内就已转变为一颗中子星，至今还发射着蟹状星云脉冲星信号。

那么造成超新星爆发的真正原因究竟是这三种可能方式中的哪一种呢？是恒星内部形成的铁核心发生了猛烈坍缩，还是星内的白矮星像恶性肿瘤似地不断并吞恒星物质，直到跨越临界质量而突然坍缩呢？或是在白矮星还没有来得及变成中子星之前恒星破碎于碳爆炸呢？

人们在河外星系中观测到两类超新星，亮度爆发情况有所不同。有可能这些现象涉及到上面所讲的所有各种作用过程，也许大质量恒星是由于铁心灾变而爆毁，而 1.4 到 10 倍太阳质量之间的恒星则由于内部增生白

矮星，后来因为发生碳爆炸或者形成中子星而崩溃。只有质量不到太阳的

1.4 倍以及那种发出星风或喷出一个行星状星云，及时解脱过剩质量的恒星，才可能有平静的结局：演变成为没有核反应而保持稳定平衡的白矮星。

中子星假想实验

中子星也不是就没有平衡问题。让我们再来作一次假想实验。蟹状星云脉冲星也许是由 1 个太阳质量的中子物质所组成。我们就以它为对象， 并且假定在一次宇宙空间实验中我们能够小心地把中子物质移到它的表 面上，使这颗中子星的质量增长。那么，这颗星的半径又会随着质量的增加而缩小，这种现象就是引力大大超过压力的反映。当这个天体的质量增长到大约有太阳的两倍时，它就会发生迅猛坍缩，需要的时间远远小于一秒钟。是不是还有可能阻止它发生呢？这种坍缩发生后原来的物质会不会转化成一种新型物质，其压力又足以对抗引力来维持平衡，正像白矮星物质转化为中子物质而建立新平衡那样呢？当今的物理学家认为再也没有 什么办法能拯救中子物质免于坍缩。

引力愈变愈强，要不了多久压力便再也起不了什么作用，这一天体将永久地坍缩了。坍缩体附近的引力十分强大，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论对自然界的这种特性有所说明。例如，相对论认为引力影响光线的传播。太阳对于擦过日边传到地球来的星光的作用就像一个透镜（见图11-2）。太阳背后的星场看来稍微放大了一些。不过这种效应非常微小， 十分接近我们测量精度的极限，实际上只有在日全食时太阳圆面被月亮所遮，星星出现在白昼天空的情况下才能观测出来。就在这种自然奇景展现的短短几分钟内，人们能够测出光线穿越太阳附近所发生的弯曲，所得的结果是光线的弯曲果真符合相对论的预言。

■

■

当我们这颗中子星的物质顶不住强大引力而发生坍缩时，引力使光线偏转的现象就显得突出。让我们来设想，如果我们能够逐步跟踪事态的发展，将会看到什么。起初中子星还处在平衡状态。由于它那强大的引力场， 它表面附近的光线弯曲现象就已经可以觉察。由表面斜向上方发出的一条光线开头显然弯了过来，而到了离开强引力区足够远处以后，就沿直线继续奔向宇宙远方[参见图 11－3( a)]。

中子星的质量一点一点地增加，内部压力无济于事，坍缩过程开始， 引力愈来愈强。时过不久，光线弯曲的程度变得如此强烈，一条沿切线方向离开它表面的光线要绕它转上好几圈才能逃奔远方。光线愈来愈难以和引力较量，当这个坍缩着的天体（假定它的质量已达太阳的 3 倍）小到半

径为 8.85 公里时，就再也没有什么能够离开它的表面往外逃脱了。发出来的每一条光线都被引力拉得那么弯曲，直至转回这个天体为止。这种天体发出的光量子都落了回来，就像地球上人们往上抛石子一样。没有任何光线能把此星蒙难史的信息传递到外界来。这种无体称为黑洞。

黑洞

我们已经知道，充分紧缩到某种程度的天体能使光线不能外逃。第一个测出此事件发生时该天体半径的是卡尔·史瓦西。史瓦西可称得上是本世纪上半叶最伟大的天体物理学家。他曾为天体物理学的许多分支学科撰写了指引方向的论文。爱因斯坦推导出广义相对论引力场方程组后，卡 尔·史瓦西在去世前不久求出了第一个严格解，其中就包含了黑洞推论。卡尔·史瓦西曾担任哥廷根天文台和波茨坦天文台台长。由于战时当兵落下的病根，他于 1916 年去世，年仅 43 岁。史瓦西死后，葬于哥廷根中心公墓。

天体紧缩到光线不能往外逃逸所要求的临界半径称为史瓦西半径。太阳的这种半径大约为 3 公里，就是说如果把太阳物质紧缩到半径为此值或更小的一个球内，它的光线就休想往外逃逸了。任何物体的史瓦西半径都可以算出来。质量愈小，这种半径也愈小。对应于一个人体质量的史瓦西半径实在微小，如果用厘米为单位来表示，就是小数点前面一个零，小数点后面要先来 21 个零才出得来非零数字。如果把一个人的质量挤紧在如此小的半径范围中，光线就不能由此人逃逸到外界了。

一个天体失落在一个黑洞中决不是它在宇宙中消灭了。它的引力使它仍旧可以被外界所觉察。光线贴近它就被它捕获，在它周围较远处传越的光线则发生方向变更。它能够用它的引力和别的天体组成力学系统，能够控制住一批行星，还能够和另外一颗星结成一对双星。

说到这里，这些都还是假想实验。自然界存在黑洞吗？我们难以想象真有那么大量的物质落到一个中子星上，使它由于质量增长而垮台。X 射线双星中打到中子星上的物质流实在太稀疏，甚至在物质流来源星的毕生期间中子星的质量也不会显著增大。可是我们对于中子星的起源已经知道了多少呢？只是蟹状星云脉冲星是超新星爆发的残余天体。那么我们对超新星爆发又了解到了什么地步呢？外层物质飞掉后留下的质量有时太

大，形成不了平衡态中子星而造成一个坍缩着的黑洞，难道就不能发生这样的事情吗？有人强烈地怀疑某些 X 射线双星，认为其中发出 X 射线的致密天体不是中子星而是黑洞。从伴星分出来的物质在落入黑洞后还能大幅度升温而发出 X 射线。由多普勒效应（见附录 A）可以测知可见星的运动， 根据这种运动数据又可以推测该 X 射线源的质量（见附录 C）。人们认为天鹅 X-1 这个源中的致密天体质量超过太阳的 3 倍。这就不会是中子星

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“Black Holes”（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。

专家们想要确知，