2.2 人類如何揭開恒星的演化之謎？

讓我們再來好好看看天狼星A和天狼星B。圖2.4展示了這兩顆恒星的樣子。

天狼星A是一顆塊頭較大的恒星，其質(zhì)量是太陽的2倍，而絕對亮度是太陽的25倍。2.1節(jié)說到，天狼星A的視星等低于除太陽以外的所有恒星，因而堪稱夜空中最亮的星。更重要的是，它與我們之前游覽過的太陽以及半人馬座α的3顆恒星一樣，都是一顆主序星。

而天狼星B就大不相同了。從圖2.4中可以看到，它的實(shí)際大小和絕對亮度都與天狼星A相差甚遠(yuǎn)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包括太陽和比鄰星在內(nèi)的主序星。這是因?yàn)椋炖切荁屬于另一種類型的恒星：白矮星。事實(shí)上，天狼星B也是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆白矮星。

那么主序星是什么？白矮星又是什么？借著科普這兩個(gè)概念的機(jī)會，我來給你講講人類了解恒星演化規(guī)律的歷史。

在1.2節(jié)，我們介紹了由一群默默無聞的女天文學(xué)家于20世紀(jì)初完成的哈佛恒星分類。她們基于恒星的表面溫度，把恒星分成了O、B、A、F、G、K、M這七大類型。但沒過幾年就有人意識到，單靠一個(gè)哈佛恒星分類，還不足以講清楚天上到底有哪些恒星。

第一個(gè)意識到這一點(diǎn)的人，是丹麥天文學(xué)家赫茨普龍（圖2.5）。

赫茨普龍本來是一個(gè)化學(xué)家，不過遲遲沒能做出有影響力的研究工作，所以在化學(xué)圈里過得不太如意。在1901年，也就是他28歲的時(shí)候，赫茨普龍轉(zhuǎn)行到了天文學(xué)領(lǐng)域。也正是在那一年，坎農(nóng)提出應(yīng)該把恒星的表面溫度作為恒星分類的標(biāo)準(zhǔn)。

哈佛計(jì)算員們所做的恒星分類工作引起了赫茨普龍的濃厚興趣。5年之后，他有了一個(gè)非常有趣的發(fā)現(xiàn)：那些溫度較低而顏色偏紅的恒星（即哈佛恒星分類中的K型和M型恒星）其實(shí)有兩種不同的類型，其中一類的絕對亮度比太陽大很多，而另一類的絕對亮度則比太陽小很多。為了加以區(qū)分，赫茨普龍就把那些特別亮的恒星稱為“巨星”，而把那些特別暗的恒星稱為“矮星”。

巨星和矮星的發(fā)現(xiàn)，揭示了哈佛恒星分類還存在著很大的局限性。又經(jīng)過了5年的深入研究，赫茨普龍發(fā)明了一種對恒星進(jìn)行分類的圖赫羅圖（圖2.6）。這是一個(gè)二維的直角坐標(biāo)系。它的橫坐標(biāo)是恒星表面溫度，越往左溫度越高，越往右溫度越低，這恰好對應(yīng)于哈佛恒星分類。而它的縱坐標(biāo)是恒星絕對亮度，越往上亮度越大，越往下亮度越小，這恰好對應(yīng)于巨星和矮星。

無獨(dú)有偶。差不多在同一時(shí)期，還有一個(gè)人也想出了這樣的圖，此人就是美國天文學(xué)家亨利·羅素（圖2.7）。

羅素是美國天文學(xué)史上的一個(gè)風(fēng)云人物。在20世紀(jì)初，也就是美國學(xué)術(shù)水準(zhǔn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐洲的年代，他就成為最早擁有國際聲譽(yù)的美國天文學(xué)家之一。此外，他還一手創(chuàng)辦了普林斯頓大學(xué)天文系，并擔(dān)任了這個(gè)天文系的首任系主任。我們在11.1節(jié)會講到，他在普林斯頓培養(yǎng)了一個(gè)叫哈羅·沙普利的得意門生；正是這位沙普利，最終敲響了哥白尼日心說的喪鐘。

與赫茨普龍一樣，羅素也主張用恒星表面溫度和絕對亮度這兩個(gè)指標(biāo)來劃分恒星的類型。后人為了紀(jì)念赫茨普龍和羅素，就把他們發(fā)明的這種對恒星進(jìn)行分類的圖稱為赫羅圖（圖2.8）。

天文觀測表明，包括太陽在內(nèi)的天上絕大多數(shù)的恒星，都位于赫羅圖中的一個(gè)從左上角一直延伸到右下角的帶狀區(qū)域里。也就是說，對絕大多數(shù)的恒星而言，表面溫度越高，絕對亮度就越大；反過來，表面溫度越低，絕對亮度就越小。這些位于赫羅圖對角線帶狀區(qū)域里的恒星，就是我們前面所說的主序星。

除了主序星所處的對角線帶狀區(qū)域以外，還有兩個(gè)恒星密集區(qū)域。其中一個(gè)在赫羅圖的右上角，此處恒星的表面溫度較低，主要發(fā)紅光；但它們的絕對亮度很大，因而被稱為紅巨星。另一個(gè)在赫羅圖的左下角，這里恒星的表面溫度很高，主要發(fā)白光；但它們的絕對亮度很小，因而被稱為白矮星。

有了赫羅圖以后，人類才徹底搞清楚天上的恒星到底有哪些類型。

不過，赫羅圖只能告訴我們天上的恒星可以分為主序星、紅巨星、白矮星這幾大類，卻無法告訴我們這幾類恒星的本質(zhì)是什么。一直到20世紀(jì)20年代初，才有人揭開了其中的奧秘。這個(gè)破冰之人，就是英國著名天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓。（圖2.9）

我們在太陽系之旅中講過愛丁頓的故事。他做過的最有名的事，就是率領(lǐng)兩個(gè)英國科考隊(duì)觀測了1919年的日全食，進(jìn)而驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對論。

但在此之前，愛丁頓差點(diǎn)被投入大牢。

1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。由于個(gè)人的宗教信仰，愛丁頓拒絕服兵役。等“一戰(zhàn)”結(jié)束以后，英國當(dāng)局打算秋后算賬，把拒絕服兵役的人都關(guān)進(jìn)監(jiān)獄。

就在這危急時(shí)刻，有貴人出手相助了。英國皇家天文學(xué)家弗蘭克·戴森跑去找英國當(dāng)局，說1919年5月29日會發(fā)生一次日全食，而通過觀測日全食，可以檢驗(yàn)到底是牛頓萬有引力定律正確還是廣義相對論正確。 這個(gè)提議打動了英國當(dāng)局。戴森又趁熱打鐵，說這個(gè)日全食的活動必須要由專家?guī)ш?duì)，而放眼整個(gè)英國，就屬愛丁頓最懂廣義相對論，不如讓他戴罪立功，負(fù)責(zé)日全食觀測。

愛丁頓就這樣因禍得福，不但免除了牢獄之災(zāi)，而且還獲得了自己夢寐以求的檢驗(yàn)廣義相對論的機(jī)會。

后來的事就是歷史了。1919年底，科考?xì)w來的愛丁頓在英國天文學(xué)年會上宣布，他們所做的日全食觀測證明了愛因斯坦的廣義相對論確實(shí)優(yōu)于牛頓萬有引力理論。這讓愛因斯坦一舉登上了科學(xué)的神壇。

再講一個(gè)關(guān)于愛丁頓的故事。愛丁頓后來當(dāng)上了劍橋大學(xué)三一學(xué)院的院長。有一天，一個(gè)外校的教授來訪，愛丁頓陪他在三一學(xué)院的餐廳里吃飯。閑聊的時(shí)候，那個(gè)外校教授恭維愛丁頓，說他是全世界最懂廣義相對論的三個(gè)人之一。沒想到愛丁頓沉默良久，然后反問這個(gè)訪客：“我實(shí)在想不出來，你說到的第三個(gè)人是誰？”

用日全食檢驗(yàn)廣義相對論是愛丁頓在公眾間知名度最高的工作，卻并不是他學(xué)術(shù)生涯的頂點(diǎn)。在1920年，愛丁頓發(fā)表了一篇名為《恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)》的論文，從而揭開了恒星世界的神秘面紗。

這篇論文研究的核心問題是：恒星的能量是怎么來的？這個(gè)問題還有另外一種表述形式：恒星靠什么機(jī)制阻止自身的引力塌縮？

在20世紀(jì)以前，人類普遍相信恒星是一個(gè)燃燒的大煤球。燃燒過程中所釋放的大量熱量，產(chǎn)生了方向向外的輻射壓（可以用熱脹冷縮來理解），進(jìn)而與恒星方向向內(nèi)的引力達(dá)到了平衡。但這個(gè)理論有一個(gè)很致命的缺陷：如果恒星真的是一個(gè)大煤球，那么它只能燒區(qū)區(qū)幾千萬年。

在這篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文中，愛丁頓提出了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來堪稱石破天驚的想法：恒星之所以能對抗自身的引力塌縮，靠的是其中心區(qū)域的核聚變；具體地說，就是把氫聚變成氦的核反應(yīng)（即氫核聚變）。

氫核聚變的時(shí)候，4個(gè)氫原子核最終會聚變成一個(gè)氦原子核（圖2.10）；在此過程中，大概會損失0.7%的質(zhì)量。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc²,這部分損失的質(zhì)量可以完全轉(zhuǎn)化成能量。愛丁頓認(rèn)為，這就是天上絕大多數(shù)恒星的能量來源。換句話說，絕大多數(shù)恒星都是靠發(fā)生在其內(nèi)部中心區(qū)域的氫核聚變來對抗自身的引力。

這些靠氫核聚變來對抗自身引力的恒星，就是所謂的主序星。為了便于理解，你可以把主序星當(dāng)成是活著的恒星。

當(dāng)然，一顆恒星中心區(qū)域的氫元素并非無窮無盡。早晚有一天，中心區(qū)域的氫元素會消耗殆盡。此時(shí)，恒星的中心區(qū)域就會點(diǎn)燃氦核聚變。氦核聚變會把恒星的外層物質(zhì)拋向太空。在這個(gè)過程中，恒星的溫度會降低，發(fā)出的光也會以紅光為主；與此同時(shí)，恒星的體積急劇增大，從而讓它的絕對亮度大增。這種狀態(tài)下的恒星，就是所謂的紅巨星。你可以把紅巨星理解成是瀕死的恒星。

把外層物質(zhì)都拋掉以后，恒星會剩下一個(gè)很小的內(nèi)核。這個(gè)內(nèi)核的表面溫度很高，發(fā)出的光會以白光為主；與此同時(shí)，它的體積變得很小，導(dǎo)致它的絕對亮度也變得很低。這種狀態(tài)下的恒星，就是所謂的白矮星。你不妨把白矮星理解成是死掉的恒星。

因此，愛丁頓提出的是一個(gè)關(guān)于恒星演化的理論。他指出，活著的恒星（主序星）靠把其中心區(qū)域的氫聚變成氦為生。當(dāng)中心區(qū)域的氫消耗殆盡的時(shí)候，恒星就會啟動中心區(qū)域的氦核聚變并拋出外層的物質(zhì)，從而變成一顆瀕死恒星（紅巨星）。而在拋出所有外層物質(zhì)以后，恒星會剩下一個(gè)特別昏暗的小小內(nèi)核，從而變成一顆死掉的恒星（白矮星）。

愛丁頓的恒星演化理論能很好地解釋赫羅圖上為什么會有3種主要的恒星類型，以及恒星為何能存在幾十億甚至幾百億年。在經(jīng)歷了幾千年仰望星空的歲月，人類終于揭開了恒星世界的神秘面紗。

由于對恒星演化的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，終其一生都沒能拿到諾貝爾獎(jiǎng)的愛丁頓，依然被后人視為20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)家之一。

在此后大概10年的時(shí)間里，愛丁頓的恒星演化理論成為天文學(xué)界的圣經(jīng)。當(dāng)時(shí)人們普遍相信，愛丁頓的理論已經(jīng)解決了所有的恒星問題。但2.3節(jié)我們會看到，另一個(gè)橫空出世的天才，如何讓愛丁頓看似和諧的恒星世界地動山搖。