作品相關 關於一些相關的天文知識.

  主要介紹一下白矮星\紅巨星\中子星\黑洞這四種天體.希望大家看了後，對本書的閱讀能增添一些興趣.

  白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質量大、密度極高。比如天狼星伴星（它是最早被發現的白矮星），體積比地球大不了多少，但質量卻和太陽差不多！也就是說，它的密度在1000萬噸立方米左右。

  根據白矮星的半徑和質量，可以算出它的表面重力等於地球表面的1000萬－10億倍。在這樣高的壓力下，任何物體都已不復存在，連原子都被壓碎了：電子脫離了原子軌道變為自由電子。

  白矮星是一種晚期的恆星。根據現代恆星演化理論，白矮星是在紅巨星的中心形成的。

  當紅巨星的外部區域迅速膨脹時，氦核受反作用力卻強烈向內收縮，被壓縮的物質不斷變熱，最終內核溫度將超過一億度，於是氦開始聚變成碳。

  經過幾百萬年，氦核燃燒殆盡，現在恆星的結構組成已經不那麼簡單了：外殼仍然是以氫為主的混和物；而在它下面有一個氦層，氦層內部還埋有一個碳球。核反應過程變得更加複雜，中心附近的溫度繼續上升，最終使碳轉變為其他元素。

  與此同時，紅巨星外部開始發生不穩定的脈動振盪：恆星半徑時而變大，時而又縮小，穩定的主星序恆星變為極不穩定的巨大火球，火球內部的核反應也越來越趨於不穩定，忽而強烈，忽而微弱。此時的恆星內部核心實際上密度已經增大到每立方厘米十噸左右，我們可以說，此時，在紅巨星內部，已經誕生了一顆白矮星。

  白矮星的密度為什麼這樣大呢？

  我們知道，原子是由原子核和電子組成的，原子的質量絕大部分集中在原子核上，而原子核的體積很小。比如氫原子的半徑為一億分之一厘米，而氫原子核的半徑只有十萬億分之一厘米。假如核的大小象一顆玻璃球，則電子軌道將在兩公里以外。

  而在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將儘可能地占據原子核之間的空隙，從而使單位空間內包含的物質也將大大增多，密度大大提高了。形象地說，這時原子核是「沉浸於」電子中。

  

  一般把物質的這種狀態叫做「簡併態」。簡併電子氣體壓力與白矮星強大的重力平衡，維持著白矮星的穩定。順便提一下，當白矮星質量進一步增大，簡併電子氣體壓力就有可能抵抗不住自身的引力收縮，白矮星還會坍縮成密度更高的天體：中子星或黑洞。

  對單星系統而言，由於沒有熱核反應來提供能量，白矮星在發出光熱的同時，也以同樣的速度冷卻著。經過一百億年的漫長歲月，年老的白矮星將漸漸停止輻射而死去。它的軀體變成一個比鑽石還硬的巨大晶體——黑矮星而永存。

  而對於多星系統，白矮星的演化過程則有可能被改變。（

  如果你為白矮星的巨大密度而驚嘆不已的話，這裡還有讓你更驚訝的呢！我們將在這裡介紹一種密度更大的恆星：中子星。

  中子星的密度為10的11次方千克立方厘米， 也就是每立方厘米的質量竟為一億噸之巨！對比起白矮星的幾十噸立方厘米，後者似乎又不值一提了。 事實上，中子星的質量是如此之大，半徑十公里的中子星的質量就與太陽的質量相當了。

  同白矮星一樣，中子星是處於演化後期的恆星，它也是在老年恆星的中心形成的。只不過能夠形成中子星的恆星，其質量更大罷了。根據科學家的計算，當老年恆星的質量大於十個太陽的質量時，它就有可能最後變為一顆中子星，而質量小於十個太陽的恆星往往只能變化為一顆白矮星。

  但是，中子星與白矮星的區別，決不只是生成它們的恆星質量不同。它們的物質存在狀態是完全不同的。

  簡單地說，白矮星的密度雖然大，但還在正常物質結構能達到的最大密度範圍內：電子還是電子，原子核還是原子核。而在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的簡併電子壓再也承受不起了：電子被壓縮到原子核中，同質子中和為中子，使原子變得僅由中子組成。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的。可以這樣說，中子星就是一個巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。

  在形成的過程方面，中子星同白矮星是非常類似的。當恆星外殼向外膨脹時，它的核受反作用力而收縮。核在巨大的壓力和由此產生的高溫下發生一系列複雜的物理變化，最後形成一顆中子星內核。而整個恆星將以一次極為壯觀的爆炸來了結自己的生命。這就是天文學中著名的「超新星爆發」。

  「黑洞」很容易讓人望文生義地想像成一個「大黑窟窿」，其實不然。所謂「黑洞」，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。

  根據廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恆星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什麼影響，從恆星表面上某一點發的光可以朝任何方向沿直線射出。而恆星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發出的光就將沿彎曲空間返回恆星表面。

  等恆星的半徑小到一特定值（天文學上叫「史瓦西半徑」）時，就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時，恆星就變成了黑洞。說它「黑」，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，「似乎」就再不能逃出。實際上黑洞真正是「隱形」的，等一會兒我們會講到。。

  那麼，黑洞是怎樣形成的呢？其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恆星演化而來的。

  我們曾經比較詳細地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫），由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最後形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

  質量小一些的恆星主要演化成白矮星，質量比較大的恆星則有可能形成中子星。而根據科學家的計算，中子星的總質量不能大於三倍太陽的質量。如果超過了這個值，那麼將再沒有什麼力能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。

  這次，根據科學家的猜想，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積趨於零、密度趨向無限大的「點」。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恆星與外界的一切聯繫——「黑洞」誕生了。

  與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有「隱身術」，人們無法直接觀察到它，連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想。那麼，黑洞是怎麼把自己隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個最基本的常識。可是根據廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

  在地球上，由於引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恆星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。

  更有趣的是，有些恆星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的「臉」，還同時看到它的側面、甚至後背！

  「黑洞」無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當代天體物理學的最新成果不是在這裡三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。

  當一顆恆星度過它漫長的青壯年期——主序星階段，步入老年期時，它將首先變為一顆紅巨星。

  稱它為「巨星」，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恆星的體積將膨脹到十億倍之多。

  稱它為「紅」巨星，是因為在這恆星迅速膨脹的同時，它的外表面離中心越來越遠，所以溫度將隨之而降低，發出的光也就越來越偏紅。不過，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。肉眼看到的最亮的星中，許多都是紅巨星。

  在赫-羅圖中， 紅巨星分布在主星序區的右上方的一個相當密集的區域內，差不多呈水平走向。

  我們來較詳細地看看紅巨星的形成。我們已經知道，恆星依靠其內部的熱核聚變而熊熊燃燒著。核聚變的結果，是把每四個氫原子核結合成一個氦原子核，並釋放出大量的原子能，形成輻射壓。

  處於主星序階段的恆星，核聚變主要在它的中心（核心）部分發生。輻射壓與它自身收縮的引力相平衡。

  氫的燃燒消耗極快，中心形成氦核並且不斷增大。隨著時間的延長，氦核周圍的氫越來越少，中心核產生的能量已經不足以維持其輻射，於是平衡被打破，引力占了上風。有著氦核和氫外殼的恆星在引力作用下收縮，使其密度、壓強和溫度都升高。氫的燃燒向氦核周圍的一個殼層里推進。

  這以後恆星演化的過程是：內核收縮、外殼膨脹——燃燒殼層內部的氦核向內收縮並變熱，而其恆星外殼則向外膨脹並不斷變冷，表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續了數十萬年，這顆恆星在迅速膨脹中變為紅巨星。

  紅巨星一旦形成，就朝恆星的下一階段——白矮星進發。當外部區域迅速膨脹時，氦核受反作用力卻強烈向內收縮，被壓縮的物質不斷變熱，最終內核溫度將超過一億度，點燃氦聚變。最後的結局將在中心形成一顆白矮星。

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