大爆炸宇宙通史-完全版-第10部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的，这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望，而无其他确实的理由。（要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则：当其他方面都相同时，最简单的方案就是正确的方案。）有些宇宙学家则相信，造成加速的力的强度的确随时间变化。
这些问题即将开始解决。今后20年中的进一步观测已经计划好。不过公平地说，在很大程度上我们还在黑暗中摸索。
正文 章序
2010…1…28 21：15：04 本章字数：501
第四章 恒星与行星 大爆炸后90亿～92亿年
在前面的章节中，我们看到宇宙被第一代恒星所点亮，以及星系的形成。现在，当大爆炸过去90亿年时，宇宙看上去很像我们现在所见到的周围的情况，星系中充满了第二代恒星。现在到了仔细谈论恒星演化的时候了。我们已经对第一代恒星作了一些介绍，但对它们实际的形成过程一带而过，因为当时关注那些能够延展到整个宇宙间的效应。我们知道它们会在耀眼的闪光中结束自己短暂的生命，它们的超新星爆炸将重元素撒向四方。另外，还有一个极为重要的效应，爆炸形成的冲击波将激发新恒星在周围气体云中的形成。
很长时间里类星体都是最显着的天体。它们中心的黑洞吞噬着其所能够得到的巨量的气体和尘埃，释放出庞大的能量。当这些尘埃和气体消耗殆尽后，类星体暗淡下去，宇宙里剩下大量的“正常”星系。50亿年前，气体转化成恒星的速率加快了，宇宙变得更加明亮。后来，40亿到50亿年期间，燃料开始耗尽，垂死的恒星超过了正在诞生的恒星。同时，就在这一时段，在一个不起眼的旋涡星系中，我们的太阳开始形成。下面让我们仔细地探查一下恒星形成的过程。
正文 恒星的诞生
2010…1…28 21：15：05 本章字数：1566
恒星的诞生
恒星在星系中的形成并不是均匀地发生的，周围物质的条件会对收缩产生影响。像我们自己的星系的旋臂就是一个很好的例子。对任何旋涡星系的光学照片一眼看去就能发现，旋臂上的恒星趋向于蓝色，而核球处的则呈黄色。以宇宙标准来看，旋臂上的炽热大质量蓝星寿命是较短的，只能维持几千万年。这意味着无论我们在何处看到了蓝色恒星，就可以确定这片区域内的恒星是在相对较近的时期内形成的。所以可以得出结论，在旋涡星系中恒星的形成集中在旋臂上。
包括太阳在内的所有恒星都是在巨大的恒星孕育区内形成的，我们称之为星云，可看作是气体和尘埃的仓库。在星云之内，充满宇宙其他地方的强烈辐射被挡在外面，故而物质能够冷却到非常低的温度，而如何达到这点对于整个恒星形成过程是非常关键的。最初，冷却是由于氢分子能够向外辐射出能量，能量的流失冷却了云气，温度降了下来。其后这项工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在这一气体区域中，由引力作用造成的收缩与粒子的随机运动相对抗，如果这些粒子运动很快，就可以克服引力带来的紧缩，这个气团就永远不会收缩到形成恒星的程度。对恒星生成区的现代观测表明，这是一个持续进行的过程，气团不断地形成和消散着。
不过请记住，粒子的速度由温度决定。温度越低，粒子运动得就越慢。如果气体能足够冷却，引力就会赢得这场较量，冷却的气体团会趋于收缩。
一旦收缩达到某一程度就不可能逆转，一个原恒星的核心就会形成。这样的核心包含大量的、天文学家称之为“尘埃”的小粒子。它们像沙粒一般大小，主要是碳和硅的化合物。正是这些尘埃使得对恒星形成的研究非常困难，尤其是在光学波段。因为可见光几乎完全被尘埃所阻挡。对于稍热的尘埃区域，红外观测非常有用。但是，在恒星形成的早期阶段，温度可能低至10K，这时甚至红外波也无能为力。要观测这种宇宙间最冷的地方，我们必须转到亚毫米波。
星云内的温度是如此之低，以至气体凝固在尘埃上。气体主要是氢，也有简单的化合物，例如一氧化碳。每类分子都形成一个冰层。不过最近的研究表明这种层次结构可能过于简化了，冰是由不同分子混合而成。
气体在很低的温度下运动很慢，再加上难以想象的低密度，分子之间的碰撞相当稀少，即便发生，能量也很低。值得注意的是，天文学家所称的“比较致密的云团”，若是在地球上的实验室中我们会认为那是极好的真空。所以，相对只有很少的化学反应发生。
而当分子凝结在尘埃颗粒的表面后，情况就大不相同。分子被紧靠在一起，而且有人猜测分子或原子（特别是像氢一样的轻原子）可能会自然而然地沿着颗粒表面四处移动。这样当分子相遇时，化学反应就会迅速发生。所以包含十个甚至更多原子的相当复杂的分子就可以构成。但所有这些对天文学家而言是不可见的。这个过程很重要，因为这意味着复杂分子的产生是恒星形成过程的自然结果，而当行星从剩余的残块中产生时，这些物质已经存在了。
与此同时，收缩还在继续，中央核心的温度也持续地升高。这一阶段，气团的尺度有几个光日，是我们太阳系大小的几十倍。最后，密度大到氢原子能够以足够的能量碰撞生成氦，在相对黑暗的气团块的深处，恒星已经点亮。不过这时还无法看见它，因为被四周的尘埃遮蔽着。
这种情况一发生，周围的气体尘埃团块就迅速被加热，变成了我们所称的“热核心”。这有些名不副实，所谓的热不过是300K，就像在9月份Selsey地区（作者帕特里克位于英格兰南部西苏塞克斯的家）的温度。不过冰已经溶化，并将新形成的化合物释放到气体中。在那里形成了复杂分子的混合浆液，这能够被对亚毫米波敏感的望远镜探测到。这一阶段持续不超过1万年，以宇宙的标准看仅是一瞬间。
正文 生命的化学
2010…1…28 21：15：07 本章字数：1053
生命的化学
在这些温热的区域内，目前已探测到100多种分子，许多因出现在我们地球上的生命中而被人熟知，例如甲醇和乙醇。甚至还有希望探测到一些基本的氨基酸，这是构成所有蛋白质进而组成我们所知晓的所有生命的基础。如果复杂化合物是伴随恒星产生而自然形成的，并保持在形成行星系统的物质中，那么就为更加复杂的生命化学提供了一个跳跃的高起点。
另外还有其他次要的证据证明，构成地球上生命的化学物质是在太空中开始它们的存在的。就我们所知，地球和其他行星上的生命都完全基于一种原子：碳。每个碳原子能和类型广泛的其他分子形成至多4个稳定的键，而正好能与4个分子结合成键的能力带来了一种叫做手性的属性。没有其他的分子具备如此的灵活性。硅比较接近，但是除了在科幻小说中，其他地方还没有发现任何基于硅的生物存在的证据。
想象一下碳原子和4个不同类型的分子的结合，其排列有两种可能性，每个都是另一个的镜像，分别称为“左手”和“右手”形式的。它们两个都有同样的分子式，并包括相同的5个单元部分。除此之外，这两种排列的物理和化学属性有稍许差别。所有简单的化学过程都会产生同样数量的左手性和右手性分子。
然而，那些在生命体中进行的复杂的化学过程的确具有选择性。引人注目的是，我们所看到的生命都做出了同样的选择所有地球上的生物都只使用左手性的分子。为什么会这样？如何从一个两方相等的混合体中形成仅由左手性分子构成的生命？在孕育恒星的星云中，被尘埃所散射的光线由于圆偏振的特性有可能会破坏右手性分子而保留下左手性分子不受损伤。这种有利于左手性分子的模式在恒星开始形成时可能就已决定了。
关于在原恒星内保留的物质的情况先介绍到这里，在探讨行星形成时我们会再次提及。新诞生的恒星自身情况如何？激烈变化而不稳定的雏星依旧包藏在尘埃和气体中，向外发出强大的恒星风。星风由从恒星表面吹出的粒子组成，这阻止了其他物质继续向内收缩。从恒星的极区也可能发出强大的喷流，会清除掉周围大部分的星云物质。收缩开始100万年后，到达了恒星演化的金牛座T型星阶段，恒星在继续紧缩并不规则地闪耀。一个物质构成的圆盘围绕着恒星，从新恒星附近延伸到几百个天文单位远。在接下来的1000万年里，围绕恒星的云团剩余部分被逐渐扫清，只留下圆盘。其中一个最好的实例是一颗很靠南的星：绘架座 。使用一种叫做日冕仪的特殊仪器，挡住恒星自身的明亮光芒，就可以很容易地观测到它的圆盘。
正文 中年的恒星
2010…1…28 21：15：09 本章字数：706
中年的恒星
到这时恒星已经停止收缩，进入所谓主星序上的稳定的中年阶段。换句话说，核心的反应可以提供足够的能量抗衡引力向内的拉力，支撑恒星的外层。恒星被炽热气体的压力（或者推力，如果愿意这么叫的话）和核心产生的辐射所支赫兹普龙…罗素图将光度表示为温度持。恒星如此巨大，一个单独的光子携带光能量的粒子要从核心逃出需要花费很长的时间，对太阳而言需要100万年。这个过程通过自然的热平衡实现自动调节。如果恒星在引力作用下收缩，那么核心的温度就会升高，核反应就进行得更加迅速，就会产生更多的能量，强迫恒星扩张到原来的大小。平衡已经达到，重力和压力互相抵消，恒星可以自在地停留在主星序中达几十亿年。
我们从恒星在巨大的星云中形成开始，再集中描述了一颗独立恒星的形成，这可能会造成某种误导。每个活跃的恒星生成区域会同时产生很多恒星，而大多数在这种条件下形成的恒星将作为星团的一员开始它的生命。一个很好的例子是在猎户座大星云这个离我们最近的大型恒星生成区中，4颗明亮的年轻恒星组成的四重星团。多数类日恒星会组成双星或多星系统，两颗或多颗恒星互相靠得很近，最终进入环绕对方的轨道。这样的系统可能是不稳定的。三星系统通常但不总是会通过引力作用把质量最小的成员甩出去，这个弹出速度常常很高。在星团中也会发生类似的过程：恒星会以高速被抛出。而当以高速离开时，它们也带走了引力能。这种能量损失令星团中余下的恒星在其邻居引力的拉力下束缚得更紧，直到形成一个稳定的星团。尽管存在上述进程，通常还是会造就某类多重恒星系统。像我们太阳这样独立的状态是很少的不寻常的情况。
正文 太阳系的形成
2010…1…28 21：15：11 本章字数：2080
太阳系的形成
围绕着原始太阳，剩余物质形成扁平旋转的圆盘。物质变成扁平形状的事实解释了为什么行星的轨道倾角如此地接近。相对于地球轨道，水星的倾角仅为7度，而所有其他大行星的倾角均小于4度。这也解释了为什么行星在轨道上以和地球相同的方向运转。如果从太阳极区的上面看去，所有行星在以同一方向绕转。
甚至小行星以及柯伊伯带成员（新近发现的位于太阳系外侧深处的小天体群）也遵循大部分规则。没有小行星或者柯伊伯带天体在“错误”的方向上绕行。而最早发现的100颗小行星中仅有4颗的轨道倾角大于20度。彗星则不同，它们质量很低，易受行星摄动的影响，所以其轨道偏心率和倾角的变化范围很大。而包括哈雷彗星在内的长周期彗星是逆行的，即它们的绕行方向与行星相反，就像在交通环路上逆行的一辆汽车。
研究人员已经建立了复杂的模型，来说明观测到的围绕年轻恒星的圆盘是如何形成太阳系的。在离主星较近的地方，氢和其他较轻的气体被恒星风吹走，形成较小、岩质的行星。在太阳系，这类行星包括水星、金星、地球和火星，以及稍远一点的位于火星和木星轨道之间的小行星带。这里由于木星引力牵引的破坏作用，无法形成大的行星。
再远一点的情况则有所不同。较轻的气体没有被驱逐开，一旦有一个行星核形成，它就会收集这些气体成为巨大的大气层，从而变成一颗巨型的气态行星。在我们太阳系中木星和土星无疑是最好的例子。这些巨行星的视表面实际上就是它们大气层的顶端。这也适用于小些的大行星天王星和海王星。
再向外，我们来到了被小得多的天体占据的区域，这里物质较为稀少，因此此处形成的天体的大小无法达到能够吸住明显大气的临界质量。在太阳系的边缘有柯伊伯带，冥王星是其中最有名的成员，尽管它的直径2320千米比月球还小。除冥王星之外的第一个柯伊伯带天体是在1992年发现的，目前已经知道有数百个。现在冥王星被认为是这类天体中最大的一个，而非真正的大行星。离太阳更远的地方也有零星的环绕太阳的天体。在这片昏暗的地方，至少有两个天体Quaoar和Sedna的大小与冥王星相当。
以上这些概况基本正确，但故事并未到此为止。当气体巨行星在圆盘中部（就像木星在太阳系中的位置）形成后，物质会被行星所扫清，从而在圆盘中形成空隙。我们可以观察到正在进行的这种过程。在围绕一些年轻恒星的圆盘中已经探测到了空隙。在这种情况下，行星和圆盘之间产生一种竞争，行星的引力将物质从圆盘中吸出，累积到行星身上；而圆盘则把物质向回拉。净效应是行星受到阻尼力进而损失能量，并向内侧朝着中心星盘旋过去。
一旦一颗巨行星开始向内侧移动就很难停止。要创造一种理论既允许这些行星移动到正在形成的太阳系的内侧，又防止它们落入到太阳之中的残酷结局，是一个巨大的挑战。有人提出在某些情况下这正是曾经发生的事情，而我们只是看到了在已经形成并向内侧运动直至毁灭的一长串行星中的最近的几个。但有希望的是，最近的研究已经表明巨行星最终有可能战胜圆盘，捕获周围所有的物质而避免进一步的拖曳。这�
