33個(gè)筆記

第4章 恒星

>> 天文學(xué)家有一套描述一顆星星亮度的系統(tǒng)——視星等赃春。這個(gè)系統(tǒng)建立在織女星的亮度之上燕酷，那是夜空中最明亮的恒星之一喊巍《︽ⅲ織女星的亮度被定義為零等骡和，所有視星等為負(fù)數(shù)的星星都比織女星亮相赁，而視星等為正數(shù)的星星則比織女星暗。在這樣的計(jì)量尺度中慰于，每一等之間的亮度大約差2.5倍钮科。比如，一顆視星等為–1.0的星星的亮度是織女星亮度的2.5倍婆赠，而對(duì)一顆視星等為+2.0的星星來(lái)說(shuō)绵脯，織女星的亮度是它的6.25倍（也就是2.5×2.5）。

>> 夜空之中最明亮的物體并不是恒星页藻，滿月（–12.74）桨嫁、國(guó)際空間站（–5.9）、金星（–4.89）份帐、木星（–2.94）璃吧、火星（–2.91）都比恒星更亮。最亮的恒星是視星等為–1.47的天狼星废境。

>> 天文學(xué)家提出了另一套描述恒星真正亮度的系統(tǒng)畜挨，叫作絕對(duì)星等。這種方法是把一顆恒星放到離我們32.6光年的地方之后再計(jì)算它的視星等噩凹，絕對(duì)星等每一等之間亮度的差距與視星等相同巴元。

>> 我們要怎樣才能得知恒星到底有多遠(yuǎn)呢？對(duì)于那些離我們很近的恒星驮宴，包括許多夜空中能見(jiàn)到的恒星在內(nèi)逮刨，我們都可以使用視差法來(lái)計(jì)算它到我們的距離。

>> 太陽(yáng)的光譜型是G堵泽，因此宇宙中絕大多數(shù)恒星都比它更冷修己。夜空中最亮的O型恒星是獵戶座腰帶上的參宿一，而M型恒星太過(guò)暗淡迎罗，我們用肉眼是看不見(jiàn)的睬愤。

>> 赫羅圖是天文學(xué)中的一個(gè)標(biāo)志性圖表，它揭示了恒星的絕對(duì)星等與顏色（即光譜型）之間的關(guān)系纹安。

>> 恒星的大小和質(zhì)量各不相同尤辱，不過(guò)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)恒星的光度與其質(zhì)量之間存在著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這被稱為質(zhì)光關(guān)系（見(jiàn)下頁(yè)圖4–2）厢岂。恒星質(zhì)量越大光督，其固有亮度（絕對(duì)星等）就越大。

>> 如果要計(jì)算一顆新發(fā)現(xiàn)的恒星的質(zhì)量塔粒，天文學(xué)家需要測(cè)量其視星等可帽，利用我們與這顆恒星之間的距離來(lái)計(jì)算其光度（絕對(duì)星等），再根據(jù)質(zhì)光關(guān)系即可求得結(jié)果（見(jiàn)下頁(yè)表4–2）窗怒。

>> 圖4-2 天文學(xué)家注意到恒星的質(zhì)量與其亮度（光度）之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系映跟，這令他們得以通過(guò)亮度來(lái)計(jì)算新發(fā)現(xiàn)的恒星的質(zhì)量

表4-2 恒星的光譜型與質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

天文學(xué)家還可以用斯特藩定律來(lái)計(jì)算恒星的大小。該定律以物理學(xué)家約瑟夫·斯特藩（Joseph Stefan扬虚，1835—1893）的名字命名努隙，他提出一個(gè)有熱量的物體每秒輻射出的能量取決于其大小和溫度。對(duì)于一顆恒星來(lái)說(shuō)辜昵，每秒輻射出的能量指的就是它的光度荸镊，再加上根據(jù)顏色得到的溫度，我們就可以根據(jù)斯特藩定律來(lái)計(jì)算恒星的大小堪置。

>> 天文學(xué)家可以通過(guò)觀察恒星的化學(xué)成分來(lái)判斷它的年齡躬存。最古老的恒星中只有氫和氦，因?yàn)樗鼈冃纬蓵r(shí)宇宙中只有這兩種元素舀锨。而最年輕的那些恒星則是在宇宙中的元素更為豐富的時(shí)候形成的岭洲，因此它們的化學(xué)成分也更加多樣化。因此坎匿，天文學(xué)家通常會(huì)測(cè)量恒星的“金屬豐度”盾剩。與化學(xué)中的概念不同，天文學(xué)家將氫和氦之外的所有元素都視為金屬元素替蔬。一顆恒星的金屬豐度低代表它是一顆古老而原始的恒星告私，金屬豐度越高，恒星就越年輕承桥。太陽(yáng)的金屬豐度為0.02驻粟，即氫與氦之外的其他元素占太陽(yáng)質(zhì)量的2%。

>> 隨著年齡的增長(zhǎng)凶异，恒星消耗的氫越來(lái)越多蜀撑，終有一天它們核聚變的速度會(huì)開始下降，這意味著它們的核心無(wú)法產(chǎn)生足夠能量以對(duì)抗引力唠帝，于是核心收縮屯掖，溫度升高，聚變速率再次加快襟衰。而這就是主序星不斷經(jīng)歷的過(guò)程贴铜，太陽(yáng)自形成以來(lái)已經(jīng)處于這一過(guò)程長(zhǎng)達(dá)46億年，其亮度相比剛剛誕生時(shí)增強(qiáng)了30%瀑晒。

太陽(yáng)在隨后的漫長(zhǎng)歲月中會(huì)變得越來(lái)越亮绍坝，越來(lái)越熱。10億年之后苔悦，地球上的溫度將會(huì)上升到100攝氏度以上轩褐。海水在這樣的溫度下會(huì)開始沸騰，而我們生存的家園在那時(shí)將成為一片沒(méi)有生物的焦土玖详。賦予萬(wàn)物生命的太陽(yáng)最終將成為所有生命的終結(jié)者把介。

而在50億年之后勤讽，太陽(yáng)核心處的核聚變將完全停止，太陽(yáng)核心急劇收縮拗踢，此處的溫度將從1 500萬(wàn)攝氏度飆升至約1億攝氏度脚牍。核聚變過(guò)程將在超高溫核心周圍的外殼中重新啟動(dòng)，而這標(biāo)志著太陽(yáng)開始脫離赫羅圖中的主星序巢墅。

重啟的核聚變產(chǎn)生的能量注入太陽(yáng)之后诸狭，會(huì)使其外殼膨脹到現(xiàn)在直徑的100倍。水星將被太陽(yáng)徹底吞沒(méi)君纫，金星也可能無(wú)法幸免于難驯遇。隨著能量在越來(lái)越大的表面上擴(kuò)散，太陽(yáng)會(huì)變成紅色蓄髓，此時(shí)的它已經(jīng)成為一顆“紅巨星”叉庐，其亮度將會(huì)比現(xiàn)在高出2 000多倍。到那時(shí)双吆，太陽(yáng)散發(fā)出的熱量可以輕易地熔化地球上的金屬眨唬，甚至地球本身有可能被拽進(jìn)太陽(yáng)的外殼中。

>> 質(zhì)量在8~10倍太陽(yáng)質(zhì)量范圍內(nèi)的恒星有著不同的演化方式好乐，盡管最初的過(guò)程是相似的匾竿，但最終還是會(huì)產(chǎn)生巨大的差異。起初蔚万，它們會(huì)膨脹到比紅巨星還大岭妖，紅超巨星的直徑至少是太陽(yáng)的1 000倍。它們也比紅巨星要亮得多反璃，我們?cè)谝箍罩兴芤?jiàn)到的最亮的一些星星昵慌，比如獵戶座的參宿四和天蝎座的心宿二，都是紅超巨星淮蜈。

>> 而當(dāng)碳被耗盡之后斋攀，恒星核心會(huì)進(jìn)一步收縮，溫度再次上升梧田，氧開始聚變成硅和氖淳蔼。而這一過(guò)程會(huì)循環(huán)往復(fù)地不斷進(jìn)行——每當(dāng)一種元素被耗盡時(shí)，核心就會(huì)收縮裁眯，然后溫度上升鹉梨，核聚變繼續(xù)生成新的元素。這一過(guò)程也變得越來(lái)越快穿稳，每一個(gè)階段都比上一個(gè)階段更短暫存皂，一顆巨大的恒星可能需要1 000萬(wàn)年來(lái)使氫聚變成氦，卻只需要一天就能使硅聚變成鐵逢艘。

>> 1054年旦袋，中國(guó)的天文學(xué)家記載了一顆意料之外的星星骤菠，他們稱之為“客星”。它看起來(lái)像是在天空中的某處突然出現(xiàn)猜憎，并且在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的時(shí)間里娩怎，人們都可以在白天看到這顆星星。之后胰柑，它漸漸暗淡，大約兩年后徹底消失爬泥。

>> 作為巨大恒星的垂死掙扎柬讨，一次超新星爆炸綻放出的光芒相當(dāng)于100億個(gè)太陽(yáng)，釋放出的能量比它一生中所釋放的所有能量加起來(lái)還要多袍啡。

超新星爆炸開始于紅超巨星的中心形成的致密鐵核踩官。由于無(wú)法抵抗引力的作用，該核心會(huì)在不到一秒的時(shí)間內(nèi)以接近1/4光速的速度迅速坍縮境输，而這一過(guò)程會(huì)同時(shí)向外以幾乎相同的速度發(fā)出沖擊波蔗牡，將恒星的外殼撕裂并爆炸。

爆炸的力量使得一些原子撞入別的原子中嗅剖，形成了比鐵還要重的元素辩越。超新星將此前由核聚變產(chǎn)生的元素以及在爆炸中產(chǎn)生的元素統(tǒng)統(tǒng)送入星際空間，這使得分子云中的元素變得更加豐富信粮，之后這些元素便會(huì)成為新形成的恒星和行星的一部分黔攒。

>> 你的身上戴著哪些首飾？金强缘、銀督惰、鉑這些元素都是在超新星爆炸（以及中子星相撞）中產(chǎn)生的，而我們血液中的鐵以及通過(guò)血液送往全身各個(gè)部位的氧都是在大質(zhì)量恒星內(nèi)部通過(guò)核聚變生成旅掂，再通過(guò)超新星爆炸送往宇宙各處的赏胚。如果沒(méi)有超新星爆炸，就不會(huì)有我們的存在商虐。

>> 伽馬暴在極短的時(shí)間里散發(fā)出的能量比太陽(yáng)一生中釋放的能量加起來(lái)還要多觉阅，即便遠(yuǎn)隔數(shù)十億光年也能看到它那耀眼奪目的光芒。

>> 值得慶幸的是称龙，迄今為止人們發(fā)現(xiàn)的所有伽馬暴都離我們非常遙遠(yuǎn)留拾。不過(guò)一旦有伽馬暴從太陽(yáng)系中穿行而過(guò)，就會(huì)給我們帶來(lái)毀滅性的災(zāi)難鲫尊。雖然這件事發(fā)生的可能性非常小痴柔，但是如果地球真的被擊中，我們的臭氧層就會(huì)被完全摧毀疫向，而這將導(dǎo)致地球上的生物大規(guī)模滅絕咳蔚。

>> 物體通常在離地之后總會(huì)再落下來(lái)豪嚎，除非你的速度超過(guò)一定數(shù)值。如果你能以每秒11千米的速度從地面上跳起谈火，你就可以逃脫地球的引力侈询。科學(xué)家至少要以這樣的逃逸速度發(fā)射火箭才能將飛行器送入太空糯耍。

>> 一個(gè)天體體型越大扔字，物質(zhì)排列越緊密，其逃逸速度就越高温技。從木星革为、太陽(yáng)到白矮星、中子星舵鳞，它們的逃逸速度是依次遞增的震檩。然而，最大的那些恒星的核心坍縮之后會(huì)形成一個(gè)密度極高的物體蜓堕，其逃逸速度甚至比光速還要高抛虏。因?yàn)闆](méi)有什么能比光傳播得更快，所以也沒(méi)有什么東西能從這些“黑洞”中逃脫套才。這就是它們名字的來(lái)歷——所有的光線都被它們吞了進(jìn)去迂猴，所以它們看起來(lái)是黑色的。

>> 如果你太靠近黑洞霜旧，就會(huì)被它的引力永久地困住错忱，不管多大的推動(dòng)力都不能讓你擺脫它的魔爪，而這個(gè)無(wú)法逃離的邊界被稱為“事件視界”挂据。當(dāng)跨過(guò)這條邊界的時(shí)候以清，你可能都沒(méi)覺(jué)得有什么不對(duì)勁兒的地方，但是這會(huì)改變你的命運(yùn)崎逃。假如你的腳先跨過(guò)事件邊界掷倔，那么黑洞對(duì)你的腳的引力比對(duì)你的頭的更大，并且二者之間的差異最終會(huì)超過(guò)原子鍵的強(qiáng)度个绍，這時(shí)你會(huì)被拉長(zhǎng)勒葱，物理學(xué)家稱其為“意大利面條化”。

那么巴柿，當(dāng)你被黑洞扯成一根長(zhǎng)長(zhǎng)的意大利面的時(shí)候凛虽，你會(huì)落入何處呢？這是現(xiàn)代物理學(xué)中最棘手的問(wèn)題之一广恢。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論凯旋，嚴(yán)格地說(shuō)，恒星的核心最終會(huì)坍縮成一個(gè)體積無(wú)限小、密度無(wú)限大的點(diǎn)至非，我們稱之為“奇點(diǎn)”钠署，空間和時(shí)間都在此處完結(jié)。我們通常認(rèn)為荒椭，落入黑洞的物體都被吸入了奇點(diǎn)谐鼎。

>> 愛(ài)因斯坦早在1915年提出廣義相對(duì)論時(shí)就預(yù)言了引力波的存在，但是我們卻用了整整100年才第一次探測(cè)到它的信號(hào)

>> 時(shí)間流逝的速度會(huì)隨著時(shí)空扭曲程度的不同而改變趣惠，如果你靠近一個(gè)重物狸棍，你的時(shí)間就會(huì)比別人的時(shí)間流逝得更慢。

>> 如果說(shuō)黑洞是一個(gè)你永遠(yuǎn)無(wú)法從中逃離的存在信卡，那么白洞就是你永遠(yuǎn)無(wú)法返回的地方隔缀。黑洞只進(jìn)不出，而白洞只出不進(jìn)傍菇。不過(guò)目前，白洞還只是理論性推測(cè)界赔，只存在于愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中丢习。

>> 愛(ài)因斯坦–羅森橋有一個(gè)更為通俗的名字：蟲洞。這個(gè)名字來(lái)源于蟲子在蘋果中運(yùn)動(dòng)時(shí)做出的選擇淮悼，它既可以選擇從蘋果的表面爬到想要去的地方咐低，也可以選擇在蘋果內(nèi)部穿行一段更短的路徑。我們常常在科幻小說(shuō)中見(jiàn)到作為時(shí)間和空間上的捷徑的蟲洞袜腥。

>> 也就是說(shuō)见擦，黑洞并不完全是黑的，它們會(huì)以霍金輻射的形式發(fā)出極為微弱的光芒羹令。

>> 物理學(xué)家們非常重視這些問(wèn)題鲤屡，并且一直試圖將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論結(jié)合成一個(gè)理論——一個(gè)可以用于解釋宇宙萬(wàn)物的通用框架，從最小的亞原子粒子到最大的超星系團(tuán)全都適用福侈，這就是萬(wàn)物理論酒来。

>> 愛(ài)因斯坦認(rèn)為，時(shí)空是一種連續(xù)的結(jié)構(gòu)肪凛，當(dāng)它被大質(zhì)量物體彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生引力堰汉。但是在量子力學(xué)中，沒(méi)有任何東西是連續(xù)的伟墙。

圖4-6 宜居帶是恒星周圍的一片非常狹小的區(qū)域翘鸭，這里的溫度允許液態(tài)水存在，其確切位置取決于恒星的溫度

>> 尋找其他恒星周圍的行星——我們稱之為系外行星——絕非易事戳葵。讓我們換個(gè)角度來(lái)思考一下就乓，如果有一個(gè)外星文明試圖尋找太陽(yáng)周圍有沒(méi)有適宜居住的行星，它們面臨的是什么樣的情況。太陽(yáng)比地球大100萬(wàn)倍档址，并且會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的光盹兢，而地球自己是不會(huì)發(fā)光的，因此外星文明在觀測(cè)太陽(yáng)的同時(shí)幾乎只能看得到離它最近的另一顆恒星守伸。這顆行星位于半人馬座绎秒，距離我們約40萬(wàn)億千米（4.2光年）。尋找系外行星就像是在一個(gè)巨大的閃閃發(fā)光的干草堆中尋找一根小小的黑色的針尼摹，而且由于距離非常遙遠(yuǎn)见芹，有時(shí)你甚至連干草堆都不一定能看得見(jiàn)，更不用說(shuō)堆中的這根針了蠢涝。

這一難題促使天文學(xué)家發(fā)明了一些巧妙的方法來(lái)尋找這些無(wú)法被直接觀測(cè)到的系外行星玄呛，凌星法就是其中最常用的方法之一。如果一顆系外行星正好從它的恒星和我們之間穿過(guò)——就像金星凌日那樣——它就會(huì)遮住這顆恒星的一部分光芒和二，使其在短時(shí)間內(nèi)變暗徘铝。

用這個(gè)看似簡(jiǎn)單的方法——行星有時(shí)會(huì)擋住恒星的光芒——我們可以了解到系外行星的大量信息。這顆行星越大惯吕，它擋住的光就越多惕它，恒星在此期間也就越暗。而當(dāng)我們觀測(cè)到多次凌星發(fā)生的間隔相同時(shí)废登，這個(gè)間隔的時(shí)間就是這顆行星圍繞恒星運(yùn)行的周期淹魄。周期越長(zhǎng)，它與恒星之間的距離也就越遠(yuǎn)堡距，我們就能以此來(lái)判斷它是否位于宜居帶甲锡。

>> 遠(yuǎn)離我們的光源會(huì)變得更紅（紅移），而靠近我們的光源則會(huì)變得更藍(lán)（藍(lán)移）羽戒。

>> 現(xiàn)在缤沦，你所呼吸的空氣中有21%是氧氣。即使是無(wú)所事事地坐著半醉，你每天也要消耗550升氧氣疚俱。在你的一生中，你將消耗超過(guò)1 600萬(wàn)升（也就是22噸）氧氣缩多。

>> 天文學(xué)家們將采用用于探究恒星成分的方式來(lái)探究系外行星的大氣：光譜學(xué)呆奕。當(dāng)一顆系外行星運(yùn)行到它的恒星前面的時(shí)候，一些星光將穿過(guò)它的大氣層衬吆，并最終傳播到我們的望遠(yuǎn)鏡中梁钾。由于大氣中的某些化學(xué)物質(zhì)會(huì)吸收特定波段的光，所以我們根據(jù)最終得到的吸收線就能知道其大氣中含有哪些成分逊抡。