决定它们发展过程的是“能”

天上每颗恒星的生命，都发端于弥布在太空中的气体阳尘埃的一种密度起伏。尘埃因引力作用而凝聚。当尘埃和气体收缩时，完全由引力收缩本身释放出能量，雏恒星就被加热。这类仍在形成过程中的幼年恒星，天文学家迄今已熟悉相当多了。

似是天空中的大多数恒圼都早已超过了这个初始的低级阶段，我们可以研究几乎使人无从着手的一系列不同年龄和阶段的恒星：有像我们的太阳那样的正规恒星（占绝大多数），以及较为奇特的变体，如白矮星、红巨星、新星和超新星、中子星以及黑洞。有些恒星的亮度为太阳的一万倍，甚至超过；另一些也许只有太阳光度的万分之一，其表面很冷。红巨星亮而冷，而白矮星相反，表面热，但非常黯淡。

于是，天体物理学的课题之一便是阐明恒星之间的惊人差异。

恒星的燃料

20年代，著名的英国天体物理学家爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）在这方面迈出了重要的一步。他提出了怎样从观察恒星的表面我们所能得到的少量资料，推算恒星内部的状况。知道了恒星的颜色、表面温度和发射的光量，只运用非常简单的物理定律，他就能确定恒星内温度的分布。爱丁顿确实出过一点微小的差错，这是后来由丹麦天体物理学家斯屈伦根（B. G. D Strōmgren）修正的。（斯屈伦根现在也许是丹麦最有资望的科学家。）

把他们的两项研究成果结合起来，天体物理学家才能满有把握地推算出我们太阳的中心温度约为1，400万度，明亮而炽热，密度约100（即水的密度的100倍）。这种状况，以地球上的标准来衡量，当然很了不起，但以恒星的标准来衡量，也就算不了什么。太阳只是一个普通的恒星，差不多正好位于赫罗图所谓主星序的中央。在赫罗图中，恒星是按照它们表面温度和亮度的顺序绘入的。通常认为太阳的光度是无与伦比的。可是非常光亮和非常炽热的蓝巨星放出的能量达太阳的10万倍。

颇堪注目的是爱丁顿和斯屈伦根在对恒星的能源一无所知的情况下，能够相当准确地确定恒星内部的状况。进行推算时，他们二人简单地假定恒星的能量是从星体中心处产生的，这个假定正好是确切的。至于真正的能源及其作用方式仍然是个谜。回溯到上世纪中叶，冯 · 赫尔姆霍兹（Hermann von Helmholtz）和凯尔文勋爵（Lord Kelvin）曾提出，答案在于引力本身；一句话，是这么多物质在越过很大的距离而集聚成一颗恒星时释出了巨大的能量。但这个解释不足以说明为什么从恒星倾流出来的能量能够亿万年持续不断。

突破障碍

30年代，经过各方面科研人员的努力，才弄清楚了恒星的能量来自核反应。在科德角海滩的一个夏令游泳者实质上享受着离他8光分以远的一起强烈无比的核反应所发出的能量。到1938年，我们对核反应已有足够的了解，可推算出它的功率，并这样来识别哪一类反应最为重要。

原子核确实能相互作用，但两个原子核互搲产生反应的事是难得发生的，因为原子核难以穿透彼此的静电势垒。核都带正电，按电学定律它们是相互排斥的。

然而，按照量子力学定律，这个势垒有时可以突破。核反应的几率是随温度而增加的。显然，科研人员断定，当至少有一种原子核是氢时，由于氢核在所有原子核中具有最小的电荷（一个单位），所以原子核之间相互的斥力减至最小，从而发生反应的可能性增至最大。这里，要研究的是涉及到二个氢核——即二个质子的明显的相互作用。这种反应是首先由德国的冯 · 魏斯塞格（C. F. von Weizsācker）作为太阳的能源提出，而后在1938年由克莱斐尔德（C. L. Critchfield）和本文作者予以计算的。

计算所得的结果与太阳内产生的能量十分接近。但这种反应的困难在于尽管给出大致相当于太阳的能量，但无法解释质量更大的恒星的强烈能量。质子 - 质子反应的几率只按温度的四次方提高。我们从爱丁顿的研究获知，当亮度随恒星质量大大增加时，其中心的温度没有多大的变化。所以要说明更大质量恒星的非常亮度，我们必须找到一种更密切依赖温度的反应。

作者仍设想相互作用的原子核之一仍是氢核，找遍了周期表，并发现氦、鲤、铍、硼都不合适。后来，在一个碳12的原子核和一个质子的反应上找到了着落，确实非常合适。在这个反应链中，四个氢核结合成一个氦核，抛出二个正电子、一对伽马射线（电磁辐射的一种形式）和二个中微子。这个循环消耗氢，氢是恒星最丰富的元素，但实际上补充了碳，这很幸运，因为碳在恒星内是一种稀有元素。这个循环给出与太阳大致相符的能量，但由于它按温度约20次方变化，它也能十分接近地预示质量更大的恒星所产生的能量。当氢结合形成氦时，释出极大的能量，这份能量可根据这些原子核的质量用爱因斯坦的著名公式E=mc²计算出来。我们于是深信我们现已相当掌握主序恒星的能量的产生。太阳主要利用质子 - 质子反应；更大的恒星则依靠所谓碳 - 氮循环的反应。这二种反应都是核聚变的实例。

我们对这些结论寄予一定的信任，不但因为其计算看来对许多已知恒星都很适用，并由于它们受到地面实验的支持，特别是加州理工学院威廉、福勒（William Fowler）的实验。但仍漏掉了一个重要的疑点：正如我们提起过的，这些反应抛出中微子，那么在地球上应可探测到。十余年来，布洛克海文国家实验室的雷 · 台维斯（Ray Davis）曾试图探测出这些中微子，他把仪器安置在蒙大拿的一所深井里。因为设备深藏在地下，来自太空的多数粒子都被地壳所阻拦，但地壳阻拦不住中微子，中微子能穿透恒星和行星，几乎不受它们质量的影响。然而虽经全面而富有经验的努力，台维斯所探测到的还不到我们所计算的每时每刻应来自太阳的中微子数的三分之一。失踪的中微子留下一个谜。

强力无比的塌缩

如上所知，无论在质子 - 质子反应或碳 - 氮循环中都消耗氢，由于这是一种依赖于温度的反应，在恒星中心温度最高之处氢消耗得最多，过了一长段时间，恒星中心的氢不可避免会变得更少，终至耗竭。初听到今后一百年左右，我们的太阳是否会沦于熄灭的危险时，人们会感到惊讶。我们知道到目前为止太阳已存在了差不多50亿年，我们从它的化学组成上可以预期，它将继续保持充分的燃料，供它再过上50亿年。

然而当一颗恒星耗尽了它中心的氢时，惊人的事情发生了。举一个相当典型的质量为太阳三倍的恒星为例。它生命开始时中心密度约40，经2亿年，十分缓慢地提高到100左右。它一生的大量时间内，温度或多或少保持不变。恒星中心的氢造成的核反应产生很大的压力，这个压力即用以承受它巨大的重量。

但一旦这种压力不再产生，引力就导致恒星本身塌缩，它的密度就愈来愈高。在较短时间一几百万年内，中心密度飞跃到10，000左右，温度上升到1亿度以上（因此，正如我们所指出的，太阳的1,400万度的温度，在宇宙间不算过高。）

可以料想，恒星的中心密度变得愈来愈高时，恒星的半径将缩小。可是恒星的行动往往自相矛盾；通常它们所做的与我们所设想的恰恰相反。当我们把计算机的计算结果标绘成图时，我们发现非但没有收缩，星体的外部反而大大膨胀。事实上我们所取典型恒星的半径约从太阳半径的二倍增大到近二十倍，正在变成我们名之为巨星的过程中。这是怎么回事呢？原来尽管恒星中心的氢已被耗尽，但还有相当多的氢留在外部。当中心塌缩时所产生的热足以“点燃”残留的氢，并基本上推动同样的碳 - 氮循环继续进行，只是现在燃料并非在恒星的中心燃烧而是在包围内芯的一层相当薄的壳体物质上燃烧。在离内芯较远的星体各外层加热没有那么多，所以不产生能量。但它们向外膨胀着直到星体半径约为它初始半径的十倍。

这颗巨星发射出和以前同等程度或略多的光。但由于现在它的光是从一个广袤的面上辐射出来的，每平方公尺面积发出的光量大为减少。并且如果每单位表面发射的能量减少，表面温度也就降低。

这里由于巨星表面温度相当冷，它们不再且白色，而且江白。所以它们被命名为“红巨星”。

在某些特点方面红巨星达到了一个新的状况。它的中心温度高至约1亿度时，它的半径和密度固定下来，温度停止了爬升，其理由如下：我们已经讨论过的聚变反应的产物氦，现在充满在老年的恒星中心，氦核在2千万度或3千万度那样的温度（质子反应所必需的温度）时不能起反应。要使氦核反应需要高得多的温度。这主要因为二个氦核不能造成任何已知的中子。必须有三个氦核结合才能造成碳核的中子。但尽管达到10，000那样异乎寻常的密度，三个氦核的聚合还是极少发生。所以极高的温变和极高的密度二者都是开始这个反应所必须具备的。红巨星的内芯直到温度达到1亿度上下才开始塌缩，这是氢反应开始的关键温度，然后氦反应抑止了它进一步塌缩。要不是氦反应，引力作用会使这颗恒星愈来愈热以至无穷。实际上这个反应压住了这，颗恒星的中心温度，与人们单纯的意料适得其反。

这个反应，是由康奈尔大学的萨尔彼得（E. E. Salpeter）首先从理论上假设和研究的，是使宇宙多变的重要过程之一。宇宙学家十分确信早期的宇宙可能只包含氢和氦，并没有更重的元素。为了解释重元素的存在，我们必须在巨星内部假设某种制造更重的原子核的化学工厂，——特别是为了制造碳12。一旦恒星里有了碳12，我们就不难推断重原子核是怎洋演变来的了。

退化的白矮星

当一颗质量大致相当于太阳或小于太阳的恒星烧尽了所有的氢，接着又烧尽了所有的氦时，再也不能克服它自身的引力并防止塌缩。恒星就收缩并黯淡下来，变成一颗微弱的“白矮星”。虽然如此，白矮星并不会无限止地塌缩。当一颗恒星收缩时，它的电子相互间被推得愈来愈紧，于是就有了一种增长的阻力对抗它们的被挤紧。这种情况称作“电子的退化”，由此可说明白矮星最后稳定的原因，——当电子对进一步塌缩的阻抗力平衡引力时，它以异常的高密度稳定下来。它们再也不能膨胀或塌缩，永远不能够了。亿万年间，白矮星会慢慢辐射出它们所储藏的热，变成物质中一个丧失热情的吝啬鬼——黑矮星。（宇宙中还没有一颗恒星已存在得长到这个最后的黑暗阶段。）

如果恒星的命运都这样，宇宙学家将被一个重大的问题难住，所有重元素——碳、氮、氧、氖、镁、硅、铁——岂非将限制在每个恒星内。这将难以解释这些无限量的元素是怎样逃出来的。它们怎样终于散遍宇宙、跑进太阳、地球和其他行星的。我们关于恒星演变的理论，必须有理由把这些元素从垂死的恒星内部解放出来。

谜的解答可能会在比上文已讨论的更大的恒星中找到。正如有人说的，像我们的太阳那样小的恒星不是在砰然一声中而是在断断续续的抽咽声中毁灭的。但大小为太阳四倍或四倍以上的恒星则是在怦然大爆发中毁灭的。在大到一定程度的恒星中，电子的压力再也承受不住恒星物质引力的吸引。在这瞬时，内芯将在几秒钟内塌缩。

以往二年中，某些科研人员，包括勃朗（Gerald Brown）、作者本人和不少别的人曾研究此项塌缩的机理。显然，恒星的整个内芯塌缩到密度高于10¹⁴，物质以包秒5万公里的速率陷向中心时产生了超高压。最后，一个冲击波从内向外穿经恒星而出，一一一内部物质向外移动，而另一方面外部物质仍在内陷。我们推测远在恒星边缘的某处发生了离析现象，物质从内部冲击波获得足够的推力克服了恒星质量引力的吸引，向外抛出无穷远。于是含有许多重元素的物质散遍了星系。

留在恒星内芯的物质终于会变成一颗中子星。内芯里的物质受到很大的挤压以致质子和电子被撵在一起成为中子。这些中子非常紧密地聚作一团直至无可再紧，这个瞬间我们称之为已达到“中子返化”的条件。中子退化造成的外向压力平衡了内芯引力塌缩的内向压力，于是内芯趋于稳定。

中子星的半径仅约10公里，所以它的物质必然极端稠密，其密度约为10¹⁵。事实上一茶匙中子星可虽达10亿吨。由此，爆发产生了宇宙间最致密的物体之一。

我们太阳系的原子全都经历过这种爆发。我们的太阳是由原先在一个质量很大的恒星里的物质组成的，这种物质是在一次这样的大变动中被熔炼和喷发出来的。这是天体最为壮观的现象之一。这颗恒星就是一颗超新星。

[The Sciences，20卷8期]

——————

* 康奈尔大学教授，从教学岗位退休后仍参与该校核研究实验室工作。他曾于1967年因发现恒星核反应的碳 - 氢循环而获得诺贝尔物理学奖。