picture from theweinblog.com

恆星的生命循環
                                                                張道穎

    在晴朗的夜晚仰望星空，人們面對著無數在天空閃亮的星星總有無限的幻想，這些循著四季時序做規則運轉的星星為什麼會發出亮光？人類思考這個問題幾千年，一直到二十世紀中葉才由現代科學的理論得出星星會發光的原因。現代人瞭解到恆星是有其生命的，一個恆星會在星雲聚集之中誕生，誕生之後後會進入穩定期，然後在燃料耗盡之後步入衰退，最後終於死亡。

    恆星誕生之前是一團巨大含有氫氣的星雲，其大小比我們的太陽系還要大。因為重力（即萬有引力）的關係，氫氣會逐漸靠近壓擠，而使溫度升高。在正常狀況下，氫原子內的質子因為電價排斥作用，使氫原子彼此分開。可是當溫度達到絕對溫一千萬到一億度時，在氫原子的質子動能超過彼此之間的排斥力而碰撞在一起。這時候核力就超過電磁力，而使兩個氫原子核融合成為氦，而釋放出巨大的能量。以光和熱的形式散發出來，就在這時刻一個新的恆星誕生了。

    為什麼氫原子的融合會產生巨大的能量？這是因為每一個元素中質子的平均質量都不一樣。如果用元素的原子量為橫坐標，而以質子的質量為縱坐標，可以得到一個曲線：從最左端的氫開始，其質子質量為最大，隨著原子量的增加，元素的質子質量逐漸降低，一直到鐵原子為止，鐵的質子質量位於最低點，比鐵重的元素的質子質量又再上升。當兩個氫原子融合變成氦時，因為新合成的氦的質子質量比氫的質子質量要低，多餘的質量就按照愛因斯坦質能互變公式轉變成為能量，以光和熱的形式散發出來，這也是太陽會發光發熱的原因。換句話說，一個恆星是一個核子火爐，融合氫原子而製造出氦原子來。恆星誕生之後，其往內壓迫的重力就會被相當於一千億顆氫彈爆炸所產生往外噴發的力量所抵消。這時恆星就處在一個重力和核力的微妙平衡狀態。

                                     

     經過幾十億年後，恆星的氫將慢慢地被用完，產生過多的氦，氫用完時核子反應會停止。這種情況發生時，重力會壓縮星球，使星球的溫度上升到足夠讓氦融合成為其他元素如鋰和碳。在這過程中，質子質量繼續減少，所以融合的結果仍然有大量的能量釋放出來。這時候星球的大氣層會向外大幅擴張。我們的太陽在開始使用氦為燃料時，它的大氣層將擴展到火星繞日的軌道之外。這時的星球被稱為「紅色巨人」（ red giant)。太陽將會蒸發掉地球的水份，地球終於會被太陽呑沒。我們的太陽年齡約五十億年，正處於穩定的中年期，還要再五十億年才會變成紅巨人。地球本來是由太陽分出來的，最終還是要回歸太陽。

    最後氦也被用完時，核子火爐再度停止反應，重力再次壓縮星球，使紅色巨人縮小成為白矮星（ white dwarf )，白矮星幾乎有整個星球的質量，可是只有地球般大小。我們的太陽變成白矮星後將靜靜地位於銀河系的一個角落，不再發光。

    如果星球有我們太陽1.5～3倍大的質量，則用完氦之後，大部份的元素如碳，氧，會繼續融合成為更重的元素，最後變成鐵原子，達到鐵原子時已經到了質子質量曲線的最低點了。所以無法再藉融合反應來取得更多的能量，這時候沒有核反應來抵抗重力的壓迫，重力壓縮的過程會使溫度上升一千倍，而達到一兆度。在這個時間點，含鐵的核心崩潰，星球外部往外爆炸，散發出整個星系的最大能量。這個爆炸的星球被稱為超新星 ( supernova)。一個超新星的亮度將超過整個星系一千億顆恆星的總亮度。

    超新星爆炸後，遺留下來的星體稱為「中子星」( neutron star )。其大小只有紐約曼哈頓區一般大，可是它的密度非常地高，因為所有的電子都進入原子核，中和了質子的電價，使質子都變成中子，而原子的結構消失，所有的中子都聚集在一起。一茶匙的中子星物質會比一座普通大小的山還重。中子星幾乎無法直接看到，但仍然可以用儀器測到他們的存在。因為中子星會急速旋轉並且放出放射線，他們就像是外太空中的燈塔，所以又稱為「波霎」（ pulsar )。自從1967年首次被發現以來，已經有四百多個波霎被觀測到。

    大部份比鐵重的元素可以在超新星的高壓和高熱中合成。當超新星爆炸時，釋放出大量含有重元素的破片進入太空中。這些破片與其他的氣體混合，到有足夠的氫累積在一起時，又啓動了重力壓縮的過程，又使一個新的恆星誕生，這個新的恆星是屬於第二代的恆星。構成第二代的恆星的星際物質是含有許多重元素，有些第二代恆星（如我們的太陽）會有行星環繞著，這些行星也含有比鐡重的元素。這個情況解決了長久以來一個宇宙學的神秘問題：「我們的身體內含有比鐵重的元素，但我們的太陽並沒有熱到能夠鑄造這些重元素的程度。如果太陽，地球，和我們體內的原子是來自相同的星際氣體，那麼我們身體的重元素從那裏來？」答案是很明顯的：「我們體內的重元素是在太陽創造出來之前，一次超新星的爆炸中合成的。」也就是說，一個不知名的超新星在幾十億年前爆炸，播下了創造我們太陽系的物質。

    現代人從近代物理學的理論推測出星星的進化和生命循環，但是人的生命實在很短暫，沒有人能夠在有生之年目睹星星的生命進化和消亡。不過宇宙間有無數的星系，每一個星系有千億顆恆星，我們是可以看到各種不同進化時期的星星。例如在1987年出現的超新星，在南半球可以用肉眼看到，這個超新星提供許多非常寶貴的天文學資料，可以用來印證一個含有鐵核心的白矮星崩潰而產生超新星爆炸的理論。另外，中國古代天文學家在1045年看到一個壯觀的超新星，中國的天文記錄稱此星為「客星」，這超新星遺留下來的星體，現在被證實是一個中子星。

    如果一個恆星有我們太陽三倍以上的質量，那麼在它變成中子星後，重力會繼續壓擠。因為沒有核反應來抵制重力壓迫，再也沒有仼何力量來抗拒星球的最後崩潰，這時被壓擠的星將會變成所謂的「黑洞」。黑洞的密度是如此的大以致於連光線都無法逃逸出它的引力範圍，所以從外界來看，是一個黑暗的物體。因為而得到「黑洞」的名稱。
   
    愛因斯坦在1915年完成的一般相對論（或稱為廣義相對論）可以用來說明光線如何被限制在黑洞中。一位天文物理學家舒瓦滋查德（Karl Schwarzschild ) 就用愛因斯坦的方程式來解釋黑洞的形成。舒瓦滋查德用這些方程式來計算巨大恆星崩潰後產生的重力場。他的解答提供有關黑洞一些有趣的特性：環繞著黑洞存在一個「無法返回」之點，任何物體靠近這個半徑之內都會被強大的引力吸入黑洞之內，毫無逃脫的可能。這個距離就稱為「舒瓦滋查德半徑」，或者是黑洞的「地平線」。
   
      然而黑洞是否真的存在宇宙中？1967年發現了中子星給科學家帶來很大的信心，既然像中子星這麼怪異的星體都存在了，那麼發現黑洞的可能性也大為提高。蘇俄科學家 Yakov Zel'dovich 提出一個「看見」黑洞的方法：星球會從表面散發出氣體風，譬如太陽會放射出太陽風，其中大部份是質子和電子。如果一個散發類似太陽風的星球靠近黑洞，黑洞的強大引力會拉住氣體並使其快速往黑洞移動，這個效應會使氣體溫度上升至幾百萬度。發熱的氣體會放射能量，當溫度高達百萬度時，其放射能量的形式就是X射線。 Zel'dovich 認為可以在外太空中探測放出X射缐的地方，這發出X射缐的所在地極可能就是黑洞的存在的地方。從1970年開始，科學家使用發射出去的衛星去探測外太空中的X射缐，這種新發展出來的天文學技術發現到幾處可能存在黑洞的地方。最有希望成為黑洞的X射線來源位於天鵝座附近，科學家稱此處為 Cygnus X-1 （天鵝 X-1) 或簡稱為Cyg X-1。科學家計算的結果顯示 Cyg X-1 有太陽六倍的質量。現在科學家已百分之九十確定 Cyg X-1是一個黑洞。

    當恆星最後變為黑洞時，已經走完了它的生命歷程。恆星在氫氣的融合反應中誕生，當它在燃料用完時開始走向生命的終點，依次變成為紅巨人，白矮星，超新星，中子星，最後成為黑洞。所以恆星好像生物一般，有它的生命循環。在其中的一個重要階段超新星爆炸，其所產生的極度高溫能夠合成比鐵重的元素，並把這些物質散入太空中，有機會和氫氣混合，再度產生熱核反應，於是又有一顆恆星重新誕生，就好像火鳳凰在自我燃燒後從餘燼中再度重生。這也好像生物體在老化的過程中，把能夠形成新生命的物質傳到第二代。所以星星也有類似的生命循環，其物質能夠在宇宙中一代代地傳下去。