千億個太陽（簡體書）

本書介紹了恒星的誕生、結構和演化、最終結局，以及銀河系中載有生命的行星以及地外文明的知識。全書撇開了複雜的數學公式，而運用了許多生動比喻，從作者親身經歷敍述了許多的故事，是一本很有特色的科普佳作。

緒　論

演出舞臺是整個銀河系，上場角色是它的千億恒星和地球上的幾百名天文學者。導演是自然界的規律，因而宇宙物質具有明顯的集聚成球的傾向，在我們的概念中這些球體就是恒星。恒星中的物質處在很高的溫度下，以致固態和液態都不能存在。恒星是依靠自身引力保持成形的氣體球，我們稱其中之一為太陽。在一位外界的觀察家眼裡，把它和銀河系中別的恒星相比，它是一顆既不特大也不過小，個子中等，亮度一般，在千億繁星中一點也不突出的平凡恒星。太陽只是對我們才顯得那麼重要，因為我們的生存和它息息相關。

銀河系的大多數恒星都處在一個扁平圓盤中，這個圓盤很大，光線從它的一側對穿到另一側，幾乎需要10萬年。恒星受引力和離心力作用而都在沿著複雜的軌道圍繞圓盤中心運動，銀河系圓盤在自轉。此外，在宇宙中我們連同我們所處的恒星系統並不是孤立的，像仙女座大星雲就是另一個由群星組成的自轉盤狀體系；圖0-1（見圖書前面彩圖）是處在這個恒星系統外面的我們去觀察它所看到的樣子，因為是斜著看，我們把圓盤看成了橢圓形。仙女座大星雲就像是我們銀河系的一個翻版。我們這個恒星系統裡有什麼恒星品種、有什麼變化過程，仙女座星系 1注裡也統統都有，而且情況不僅如此，因為像這樣一類的天體系統，稱為星系的，還有千千萬萬，也許多得不計其數。

圖0—2（見前面彩圖）是我們從上往下垂直地看另一個星系的樣子。到1924年，人們才確信無疑地證明，那些遙遠的、往往表現為螺旋形的雲霧狀東西和我們銀河系是同一類天體系統。許多年以來，人們就在注意觀察天上那些小小而暗淡的、往往呈橢圓狀的模糊盤塊，即所謂旋渦星雲 。早在1755年，當時31歲的伊曼努爾·康得（Immanuel Kant）在他的著作《自然通史和天體論》中就曾經把那些物件和我們自己的恒星系統對比分析：“對於這樣一個由恒星組成的世界（康得指我們的銀河系），如果有一位處在它外面的觀測者從非常遙遠的所在去觀望它，那麼它就會呈現為一個角直徑很小的暗淡物體；如果觀測者從正面去看它，就會發現它是個正圓形；從側面去看它，就會發現它是橢圓形。 ”

康得因此得出結論，認為天上那些橢圓狀的小星雲就是遠方別的銀河系。他又寫道：“把這些橢圓形物件看作我們新近才闡明其狀況的、和我們的恒星系統類似的天體系統，也可以說看成是別的銀河系，那麼這一切就都圓滿地解釋通了。 ”可是真正證實這種猜想，卻又用了差不多200年工夫。

太陽連同我們人類是處在銀河系中心平面附近。我們如果沿著垂直於銀河系圓盤平面的方嚮往外空望去，看到的是稀疏星點，但如果沿著盤面向它的邊緣望去，那麼就會看到許多星星，這也就說明了為什麼我們這恒星系統的扁平圓盤表現為一條橫貫夜空的亮帶：銀河。

可是，充滿銀河系圓盤的不僅是恒星，發光星際雲表明恒星之間的空間並不是空無一物。銀河系有1/100的質量不是集聚在恒星之中，而是佈滿於星際空間。它的化學組成雖然和太陽一樣，但密度只有太陽十億分之一的十億分之一的百萬分之一。這種星際氣體中埋藏著微小的塵粒。星際塵雲像層層厚紗削弱了背後傳來的星光，並且像地球大氣塵埃使落日變紅那樣造成遠處星光的紅化。星際塵粒很微小，直徑只有萬分之一毫米。

在銀河系中，恒星、氣體和塵埃物質緩緩地運動，平均每1億年圍繞銀河系中心運行一周。然而恒星世界卻不是慢條斯理的。大批恒星已經一對對結合成雙星，每隔若干年、若干天或幾小時相互繞行一周。有的星按確切週期漲了又縮，縮了又漲，像是在做呼吸運動。不定相隔多長時間，便會發生一次爆炸把一顆星崩碎，使它暫時大放光明，和所在星系別的千億恒星的亮度的總和差不多一樣亮。還有的星不是平穩放光，而是每隔1/100秒發一道閃光，一道接一道，明暗相間。

面對這一宏偉自然奇觀的是住在地球上的、試圖理解宇宙萬象的一小批天文學家，而地球則是繞著一顆叫作太陽的平凡恒星公轉的一顆小小的行星。這些天文學家利用所住行星的資源建造了各種儀器設備，在各地天文臺用它們來細測宇宙動靜，又用火箭把望遠鏡送到妨礙觀測的地球大氣層外去進行探索。有不少同時代的人把他們誤認為占星術家，可是他們絲毫也不願同那類人物混為一談。另外一些人則讚賞他們，因為他們的思維超出了由日常生活經驗所能有效推理的範疇。研究工作使他們對大自然的瞭解，至少是對無機世界根源的認識深化了一步。

但是跨出這一步的是客觀治學的自然科學家，這樣的人不會從自己所取得的專業成果中推導出道德準則來。從事探索天體、理解宇宙的偉業並不等同於使他們變得質量更優良、道德更高尚。他們的動力不單純是探索未知的渴望。正像人類其他行業一樣，追名逐利與同行競爭起著或多或少的作用，而且有的重大發現是來源於這類動機。然而，天文學家之中也照樣有求知的熱望，他們之間確實存在互助和友好合作，本書不少地方將反映這種實例。具體的研究結果既然是人們勞動的產物，就難免在許多方面不夠完善，甚至還有相當程度的缺點與錯誤。但是天文科學整體，儘管它從巴比倫人的萌芽時期直到現代天體物理學經歷了許多迂回曲折，畢竟還是走上了一條前進的大道。

舞臺業已明確，角色俱已齊備，演出就可開始。

前言
緒論

第一章 恒星的漫長生命
　太陽的能量是從哪里來的
　太陽和恒星裏的核能
　恒星的衰老
　天狼星的伴星
　禦夫座的超巨星

第二章 天體物理學家最有用的關係圖
　測量恒星的兩種特性和恒星的歸類
　赫羅圖
　鄰近太陽的恒星
　星團——恒星的“年級”
　星團的年齡

第三章 恒星——天上的核電站
　原子的組成部分
　亞瑟·愛丁頓與恒星的能源
　喬治·伽莫夫和他的“隧道效應”
　恒星內部的隧道效應
　碳迴圈
　質子一質子鏈
　重元素的誕生

第四章 恒星和恒星模型
　重力和氣體壓強
　能量的產生和能量的轉移
　沸騰的恒星物質
　電腦中的恒星
　原始太陽模型
　原始主序的發現
　角宿一的內部
　天鵝座中的紅矮星
　原始主序的性質

第五章 太陽的演化史
　從原始太陽演變到今天的太陽
　太陽的重氫在何處
　關於鋰的問題 
　1955年，進軍紅巨星
　太陽的未來
　太陽的中微子
　雷蒙德·大衛斯的太陽中微子實驗
　鎵實驗

第六章 較大品質恒星的演化史
　路易士·亨耶和亨耶方法
　一顆7個太陽品質的恒星的演化史 
　演化程與星團的赫羅圖
　脈動星
　造父變星的箱式模型
　熱瓦金對舊概念的新研究

第七章 演化後期的恒星
　中微子致冷，殼層源的閃躍
　紅巨星中的白矮星 
　太陽更遙遠的將來
　彼得·阿皮阿努斯、路德維希·比爾曼和彗星
　演化後期的恒星丟失物質
　白矮星露面
　仙女座星雲中的哈特維希星
　蟹狀星雲和中國一日本的超新星
　物質脫離恒星後的命運

第八章 脈衝星不是脈動天體
　劍橋啟用新型射電望遠鏡
　喬斯琳·貝爾的回憶
　脈；中星是微小天體
　脈衝星看得見嗎
　看見了蟹狀星雲脈衝星 
　什麼是脈衝星
　湯瑪斯·戈爾德解釋脈衝星
　尚待解決的若干問題

第九章 恒星竊取恒星的物質
　大陵五——魔鬼之首
　雙星系統中的複雜作用力 
　大陵五和天狼星的佯謬
　電腦得到的雙星
　第一對雙星的歷史——一個半相接雙星系統的誕生 
　第二對雙星的歷史——一顆白矮星的誕生
　1975年8月29日出現在天鵝座的新星
　1934年的新星
　雙星系統中的核爆炸

第十章 X射線星
　烏呼魯衛星的故事
　武仙座X射線星
　看見武仙源
　X射線星是小天體
　一個X射線源的演變史 
　脈衝從何而來
　測量中子星的磁場 
　X射線爆發

第十一章 恒星的結局
　大品質恒星的鐵心災變
　白矮星假想實驗
　中子星假想實驗
　黑洞

第十二章 恒星是怎樣誕生的
　恒星現在還在誕生
　電腦表演恒星的誕生
　自然界中恒星的誕生
　角動量和坍縮雲
　探查銀河系的演變史
　恒星的形成是什麼引起的 
　旋臂究竟是什麼
　獵犬座星系中恒星的誕生

第十三章 行星和它們的居民
　用電腦求解行星起源問題
　雙星的起源
　人類孤獨嗎 
　奧茲瑪計畫和阿雷西沃資訊
　生物進化的漫長歲月 
　銀河系中散佈著百萬個棲息生物的行星嗎
　一個文明社會能生存多久

附錄A 恒星的視向速度
附錄B 宇宙中的距離是怎樣測量的
附錄C 稱恒星的品質
後記
譯後記

第1章　恒星的漫長生命（部分）

地球以每秒30千米的速度圍繞著太陽運動。它的運行軌道接近於一個直徑為3億千米的圓。地球繞太陽運動時，朝向太陽的面（稱為日面）受太陽照射，所接受的能量與它轉到背向太陽時（處於夜面時）輻射出去的能量幾乎相等。

由於能量的接受和發出交替進行，使地球表面能維持一定的溫度，因而使這顆行星變成我們可以居住的。嚴格地說，並不是所有入射的太陽能量又全部被輻射出去，有一部分以化學能方式儲存於植物之中，人類和動物就是依靠儲存在植物中的能量來生活的。當我們用煤和石油取暖時，我們就是利用了植物在地球早期階段所吸收的能量。同樣，水電站的渦輪機也是由太陽能所驅動，因為太陽的輻射蒸發了大洋中的水，通過下雨而存儲在河流之中。朝向太陽的地球表面每平方米接受太陽能的功率為1.36千瓦，整個地球表面所接受的輻射功率接近於200萬億千瓦，但是，如此巨大的能量與太陽每秒向各個方向輻射出去的能量相比，卻仍然是十分微小的。採用千瓦為單位來計算太陽的輻射功率，則需要一個24位元的數字。

但在這個能量中只有極微小的一部分被地球所接收。太陽的能量是從哪裡來的太陽年復一年地以巨大功率向宇宙中發出光和熱，即輻射出能量。它已輻射了多久，並且還能輻射多長時間？它會不會隨著時間消逝而不斷減小輻射，使地球上的生命被凍僵？或者它會慢慢地增大它的輻射，使地球上的大洋沸騰而生命告終？自從人們對太陽進行有目的的觀測以來，即使採用最精密的儀器，至今也沒有測出太陽的輻射強度有緩慢變化的跡象。根據在地殼最古老的沉積層中所發現的有機生命痕跡，也可看出太陽自很久以來就以不變的光度進行輻射。太陽長時期以來就這樣強烈地輻射著，才使地球上有生命存在。在南非的特蘭斯瓦爾，人們在翁弗瓦赫特地層的矽化巖中發現了和今天的藍藻有相同複雜結構的、相當進化的單細胞組織。這證明了早在35億年以前地球上就有生命存在，那時的太陽也必定具有和今天大致相同的光度。

太陽內不可能儲藏無限多的能量，因為它是一個有限的物體，由有限的質量所組成。我們可以測定它的質量，因為質量可以通過引力來顯示。地球和眾行星圍繞著太陽運動，由於受太陽質量的引力作用而被約束在一定的軌道上。根據每一暫態離心力和引力相等的原理，可以算出太陽引力的強度，進而計算出太陽的質量（附錄C）。若以噸為單位來計算太陽的質量，就需要一個28位元的數字。維持我們生命的太陽輻射功率就是來自這些太陽質量，計算表明，每克太陽物質在1年內必須輻射出大約6焦耳的能量。乍看上去它似乎不算太大，因為人體每克物質所發出的熱量還比這個數字要大1000倍以上。但不同的是，人們為了補償這個能量損失，必須每天吃東西，而太陽幾十億年以來卻是靠自身來維持輻射。

太陽在長時期內以很大功率輻射出去的能量是從哪裡來的？是不是主要來源於化學變化？我們研究一種最簡單的釋能化學過程 ——燃燒。如果太陽由煙煤組成，它的燃料只能補償5000年的輻射，然而太陽早在幾十億年以前就在向外輻射了。因此如果碳是太陽的燃料，那麼太陽爐早就熄滅了。所有其他化學過程也和燃燒一樣產能都太少，不能作為太陽的能源。

19世紀末人們曾經進行過很多嘗試，以尋求太陽的能源。由於太陽內部的化學過程所產生的能量都太少，導致人們聯想太陽是否可能從外部吸熱。在我們太陽系內充滿了很多小的固態物體，它們運動於行星之間，被稱為流星。流星現象是我們所熟悉的。當一顆流星闖入地球大氣層時，它被加熱燒毀，在天空中發出亮光。某些流星在大氣層中不能完全燒盡，殘餘部分會落到地球上，這就是現在我們在博物館中看到的隕石。

太陽巨大的引力也必定能吸引很多在太陽系中運動的流星，它們將以很大的速度撞擊太陽，碰撞時它們的動能轉變為熱能，是否這樣產生的熱可以補償太陽的向外輻射？撞擊太陽的流星物質，每克可以提供大約1.9億焦耳的能量。為了補償太陽的輻射，每年必須有大約為1/100地球質量的流星物質落到太陽上。太陽質量的增加可以通過太陽的引力變強而被覺察到。它能使地球繞太陽的運動發生變化，例如最近2000年地球軌道長軸要明顯縮短。但是根據古代關於日食和月食的記載，沒有發現太陽系運動狀態有能測量到的變化，因此“流星假說”是不成立的。太陽不是由撞擊它的流星所加熱。

假若太陽可以將自身的引力能釋放出來，這也是一種可能的能源。早在19世紀，赫爾曼·馮·黑爾姆霍茨（Hermann Von Helmuholtz）——一位多才多藝的物理學家和醫生，就已注意到這個可能性。如果太陽沒有某些能量的輸入，它將會隨著時間的推移收縮，它的半徑將會變小。每克太陽物質會緩慢地向太陽中心靠近，即以較大的減速度下落。正如流星物體下落一樣，這裡也釋放出能量。和流星假說不同，在這裡是太陽物質自身的“下落”，但保持太陽的質量以及它對地球的引力不變。這個過程只能維持大約1000萬年的太陽光度，僅僅是太陽已輻射幾十億年的1/100。因此結論是太陽自身的引力能釋放不能補償太陽的輻射。

太陽和恒星裡的核能

今天我們知道，核能是已知產能率最大的能源。我們使用的電有一部分是由核電站所提供。在核電站內，重的鈾核被分裂為輕的原子核，原子核分裂時會釋放出能量。假如能使輕原子核聚變為重核，並獲得有用的能量，那麼這樣的核電站會產能更多，特別是氫核聚變的產能率最大。

太陽像大多數恒星一樣，主要是由氫組成。因此我們要問，太陽的輻射是否可能由氫聚變來補償？以後我們將會看到，氫的聚變確實是太陽的能源。在第3章裡我們將要詳細講述在恒星內進行的核過程。不過在證明核反應維持了太陽的生命，從而也維持了我們的生命以前，我們應假想一下，假如在太陽和恒星內氫原子不斷地聚變為氦原子，並釋放出核能來維持恒星的輻射，其後果是什麼。

當1克氫原子核聚變為氦核時，可以從這1克物質中釋放出6300億焦耳的能量，這相當於燃燒相同質量的煙煤所獲取的能量的2000萬倍。因此核能可以使太陽的壽命延長2000萬倍，達到1000億年的壽命。這樣我們終於找到了一種可以維持太陽輻射達數10億年的能源，即氫轉變為氦時所釋放出的核能。據估計，太陽中的氫所能提供的核能可以維持太陽輻射1000億年，實際上這有點過於樂觀了。因為太陽只有70％是由氫組成，所以它的核“燃料”要小於估計值。正如以後我們將會看到的，如果在一顆恒星內有10％～20％的氫被燃燒掉，它就會明顯地呈現出核能被耗盡的種種現象。所以我們認為，太陽可以均勻輻射約70億年，這個時間顯然比地球上有生命存在的時間長得多。

正像我們用肉眼所看到的7000顆恒星或是用望遠鏡所看到的數目更多的恒星一樣，太陽也是一顆恒星。除少數例外，它們主要是由氫組成。假若它們的輻射完全是由氫聚變為氦所提供，那麼可以計算出它們所儲存的核能可以維持多長時間，對於太陽是70億年。不過還有更早就把氫消耗盡的恒星，例如室女座中最亮的一顆恒星——角宿一。由於有一顆伴星圍繞著它運動，所以我們能測定它的質量（附錄C），它的質量大約是太陽質量的10倍。我們還知道它的輻射比太陽強10000倍。由於質量大，它所儲存的核燃料約為太陽的10倍，因此它的輻射比太陽大得多，使得它把氫耗盡的時間比太陽短1000倍。這樣角宿一只能輻射幾百萬年。相對宇宙歷史長河來說，這樣的時間間隔確實很短。我們只要想一想，早在100萬年以前地球上就已經有像爪哇森林中的猿人那樣的高級哺乳動物了。