宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第5部分

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　　星云由于分布不均匀而往往分裂成团块，并向中心凝聚，成为弥漫星云。　

　　弥漫星云在逐步凝聚收缩过程中进一步分裂，变成体积和质量更小而密度却更高的小球状星云。　

　　星云很庞大，半径起码有好几光年。它的外原物质自由地向中心坠落，坠落速度相当快，但也需几百万年的时间才能落到中心区。　

　　星云的质量通常和恒星差不多，但是体积却比恒星大成千上万倍。在宇宙形成早期，由于星云团中颗粒间的万有引力作用、热运动造成的碰撞作用和分子结合力，这些星云物质开始凝聚，在这个凝聚过程中，星云体积收缩，并且逐渐变热。变热的原因来自热力学定律，气体收缩导致分子间距变小，分子势能转化为热能释放出来。由于收缩是由引力造成的，所以这个收缩阶段很快，大概只需要几百万年。随着快收缩过程的进行，星云内部的密度迅速增大，温度快速升高，气压也相应增强，随之发生一系列的反应，使外原物质下落的速度和星云的收缩速度减缓，即进入慢收缩阶段。　

　　一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。慢收缩开始后，中心区受强烈压缩而升温并发出热辐射，直到最后中心温度升到约800万摄氏度到1000万摄氏度以上，由氢原子核聚变为氦原子核的热核反应提供足够的能量，使内部压力与引力处于相对平衡状态，一颗恒星就正式诞生了。　

　　原恒星进一步形成恒星的收缩过程要持续几百万年到几千万年。　

　　经过凝聚的星云就开始向恒星演化，当体积逐渐缩小时，亮度就开始增加。当能在赫罗图上看到这团星云物质时，我们就可以称它为恒星了。这时候它一般位于赫罗图的右下角，成为一颗主星序恒星。

第20节：一、恒星（3）


　　3．第二阶段…壮年恒星　

　　星云团由于中心收缩而大大加热，当星云内部的温度达到1000万摄氏度时，就开始了一个新的转变。原来星云物质中大量的氢，由于万有引力互相靠近和压缩而形成了核聚变反应。这个核聚变反应就是氢弹爆炸的原理，每四个氢原子互相靠近和挤压，在形成一个氦原子核的同时释放出大量核聚变能。在地球上，人们要想实现核聚变，以氢弹为例，就需要使用巨大的外力迫使氢原子互相靠近。这个巨大的外力在地球上是不能自动产生的，所以人们就只能使用原子弹产生的巨大压力形成氢原子挤压，造成核聚变，这就是氢弹的原理。而在早期的星云中，由于体积十分巨大，仅仅依靠原子间相互的引力就可以满足核聚变的条件，所以恒星内部就有无数个巨大氢弹在爆炸，这些爆炸产生了巨大的能量，从而使恒星进入一个活跃的壮年时期。　

　　进入壮年时期的恒星主要组成物质几乎全部是氢和氦。内部核聚变所产生的能量逐渐占主要地位，收缩就不再继续。这时它通过辐射、发光而失去的能量就靠内部的核反应来补充，所以一颗壮年恒星是非常稳定和活跃的，这一阶段的恒星就位于赫罗图上的主星序中。在恒星漫长的一生中，停留在主星序阶段的时间最长。　

　　我们的太阳就是一颗典型的壮年恒星，它活跃的内部不断进行核聚变反应，无休止地向外界辐射热量和光，所以才有了我们地球上的阳光普照。　

　　4．第三阶段…红巨星　

　　无论恒星当中有多少氢，总会有烧完的那一天。当壮年恒星内部的核反应逐渐把氢消耗完，所有的氢都转化为氦时，维持恒星状态的反应就结束了。这时候，恒星中心的核反应不再提供维持恒星状态的能量，星体只能继续收缩。同上次收缩一样，这次收缩同样将星体内部继续加热。而与此同时，恒星表层的大量气体由于失去了核心的束缚而向外膨胀，表面温度降低，这时恒星将变得很奇怪，它将有一个巨大的体积，但是主要成分却全部是气体，而同时有一个更加致密的内核。这个内核的温度非常高，超过1亿摄氏度，密度超过每立方厘米100吨。在这个内核中，由于只有氦原子，所以开始进行一个新的核反应，由三个氦原子核转化为一个碳原子核，再度产生巨大的能量，这个能量使得内部压力增高，从而抵御了向内塌陷的力，使整个恒星再度稳定起来。　

　　我们可以设想一下从外面看这一阶段的恒星的情形：暗蓝色的外围星云气体；巨大的网络状结构横亘在内部的红色尘埃中；显著的中心白点；灼热的中央白矮星。星云的这些显著结构详细表达了恒星临死时的活动：　在红巨星阶段；恒星的氧…碳内核已经不再发生热核反应；即使外壳对核的压力增大；内核也得不到充分的压缩而引起碳…氧继续聚变；但内核周围的氢层和氦层继续燃烧；并且向外扩展；这种情况下；引力与排斥力开始不稳定；　恒星便开始一鼓一缩地脉动；　红巨星稀薄的包层向外以星风的形式逃逸；形成同心圆结构；　随着红巨星大气的丧失；中心星由于极高的密度和温度产生类似爆发的高速星风；　将剩余的气体与尘埃抛出；形成不规则的块状结构和气泡结构。由于从远处看这个阶段的恒星体型巨大而且发红，所以又叫红巨星。　


第21节：一、恒星（4）


　　一般一个红巨星可以存在10亿年左右。它们在赫罗图的右上角。一般来说，体积越大的恒星氢消耗得就越快，所以寿命也就越短，成为红巨星的过程就越快。　

　　5．第四阶段…白矮星　

　　经过了红巨星阶段后，恒星就进入了它的晚年。这一时期恒星的特点首先是不稳定。不稳定的状态首先表现为脉动，也就是它的大小和亮度开始发生周期性变化。当脉动幅度达到一定程度的时候，就会发生爆炸。爆炸抛射出来的物质在垂死的恒星周围形成一个庞大的气壳或者是气环，看起来就好像是星云一样，然而这个星云却非常明亮，和恒星的亮度一样。　

　　这时候，红巨星内部的氦也烧完了，内核温度达到6亿摄氏度以上，此时，碳开始进行核反应，进一步转化为氧和镁等比碳重的元素。碳烧完的速度更快，大概只需要1万年。这时候内核的温度已经超过20亿摄氏度，然后氧被迫进行核反应转化为氖、硫等更重的元素。氧反应存在的时间更短，几乎只有一年左右。这些反应一个接一个地进行，每一种元素都转化成比它更重的元素，直到最后，温度达到40亿摄氏度的时候，终于全部转化为最稳定的元素铁。到了铁，剩余的核能在1000秒内用完，内核温度已经达到了60亿摄氏度。这时，内核已经不能通过核反应来获取内部压力以抵挡向内的塌陷了。　

　　核反应消失以后，只有引力作用的内核不可阻挡地向内塌陷，体积越来越小，密度越来越大。它的半径最后缩到只有几百公里，而密度却比岩石高了几亿倍。现在的内核已经没有原子核了，所有的原子核都已经被挤碎成为非常小的微粒。我们知道，在原子核外面旋转的电子，当原子已经被压缩到间隙足够小的时候，电子之间同性相斥的力就开始起作用，它阻止了内核继续向内的塌陷，拯救了这颗无可救药的恒星。　

　　于是，这颗恒星终于稳定了下来，因为体积小，所以亮度很低，于是它出现在赫罗图的左下角，被称为白矮星。　

　　6．第五阶段…超新星、中子星　

　　如果一个恒星在青年时期过大，　那它衰亡的过程就激烈得多。由于它质量大、引力作用强，在核反应结束的时候，向心引力非常大，所以它收缩得非常迅猛。这种剧烈的坍塌使内核压缩到密度极高的状态，同时又向外发出强烈的冲击波，使外层物质猛然向星际空间抛射，这就是超新星爆发。　

　　超新星爆发时亮度骤增几千万倍甚至1亿倍以上，经过几个月时间才慢慢变暗下来。剧烈爆发把很大一部分恒星物质抛射到周围的空间中，成为弥漫星云。　

　　超新星爆发后，恒星致密的内核在坍塌造成的巨大压力下压缩成为超高密度的状态，密度比白矮星还要高几百万倍。在这种情况下，原子里原来的核外电子几乎全部被挤到原子核里去，和原来在核里的质子结合成中子。这时候恒星的全部物质都由中子构成，恒星就成为中子星。由于密度大，中子之间也会产生一种斥力，能对抗引力塌陷，使内核达到一个稳定平衡的状态。　

第22节：一、恒星（5）


　　7．第六阶段…黑洞　

　　恒星进一步塌陷，成为充分紧缩到某种程度的天体，致使光线都不能外逃，第一个测出此事件发生时该天体半径的是美国天体物理学家史瓦西。史瓦西称得上是20世纪上半叶最伟大的天体物理学家，他曾为天体物理学的许多分支学科撰写了指引方向的论文。爱因斯坦推导出广义相对论引力场方程组后，史瓦西在去世前不久求出了第一个严格解，其中就包含了黑洞推论。天体紧缩到光线都不能向外逃逸的临界半径被称为史瓦西半径。太阳的这种半径大约为3公里，这就是说如果把太阳物质紧缩到半径为此值或更小的一个球内，它的光线就休想往外逃逸了。任何物体的史瓦西半径都可以算出来，质量愈小，这种半径也愈小。对应于一个人体质量的史瓦西半径实在微小，如果用厘米为单位来表示，就是小数点前面一个零，小数点后面要先来20个零才出得来非零数字。如果把一个人的质量挤压在如此小的半径范围中，光线就不能由此人逃逸到外界了。　

　　一个天体失落在一个黑洞中绝不是它在宇宙中消失了，它的引力使它仍可以被外界所觉察。光线贴近它就被它捕获，在它周围较远处穿越的光线则发生方向变更。它能够用它的引力和别的天体组成力学系统，能够控制住一批行星，还能够和另外一颗星结成一对双星。　

　　一颗恒星的命运要么以老老实实冷却的白矮星结束，要么以中子星而结束。但当一颗恒星演化到结束时，如果剩下质量太多到既不能形成白矮星，也不能成为平衡态中子星时，那么，这种残余天体的下场就是在黑洞里永远地收缩下去。　

　　恒星的结局是致密天体，其中的物质永远处在一起。不过在此以前它们把一部分质量抛向空中，这就为新一代恒星的诞生准备了物质基础。那么，归根结底宇宙中的一切恒星都要缩聚为冷却中的白矮星、中子星或者黑洞，而围绕它们死气沉沉地运转的则是冰冷的行星，看起来宇宙似乎是在走向枯燥乏味的未来。　

第23节：二、太阳系形成（1）


　　二、太阳系形成　

　　太阳系是我们栖息的家园，是地球和生命起源的地方。太阳在浩瀚的恒星海洋中毫不起眼，但是因为它离我们最近，所以研究太阳系的起源可以最终了解其他恒星的起源，而且我们也十分有必要知道我们生存的这个星系是如何开始的。　

　　1．起源假说　

　　一个圆满的太阳系起源理论必须能解释太阳系目前存在的基本特征，否则我们就只能假定太阳系形成之后存在过某种强大的外界扰动，而这几乎是不可能的。下面便是起源理论所必须解释的主要特征：

　　（1）几乎全部绕太阳运转的天体的运动（公转和自转）都在同一方向，只有天王星、金星、少数卫星和许多彗星是例外。　

　　（2）这些天体的轨道平面相互之间夹角很小。例外的情况是天王星的卫星和多数亮彗星。　

　　（3）行星的赤道面和太阳的赤道面一样，都近似平行于各个行星的公转轨道，而只有天王星特殊。　

　　（4）四颗类地行星的密度远比四颗类木行星的密度要大。　

　　早期假说　

　　法国人布丰提出的太阳系起源假说是依据这样的信念：彗星是一颗甚为庞大的天体，它一旦碰到太阳上就必定会裂为碎块而飞散到太空去，地球和其他行星就可能是由这种碎块形成的。　

　　我们现在知道，彗星的质量极小，不会产生上述可能的过程。这个假说后来又做了修正，即认为太阳没有与彗星相撞，而是和另一颗恒星相碰。当然，若两颗恒星相碰，其规模肯定是相当可观的。不过，恒星彼此相隔太远，它们相碰的可能性之低可以完全否定这一设想。　

　　如果恒星之间直接碰撞让人难以置信，那么，会不会有另一颗恒星与太阳非常接近呢？两颗恒星可如此的近，以至于恒星的潮汐力（两颗离得很近的星球，互相相向的一面互相吸引的力和互相相背的一面互相吸引的力是不同的，这个差别就是潮汐力）互相能够从太阳或恒星中吸出一股类似雪茄烟雾状的气团，使之最后能凝聚成为行星和卫星，但这种情况发生的概率仍是极小的。有人估计，自地球有生以来，在含有2000亿颗恒星的银河系中，经这种过程产生的行星系统仅有10个。　

　　面对着茫茫的恒星世界，天文学家无法认同这样的陈旧观念…地球在宇宙中是独一无二的，我们的行星系统是无与伦比的。假如一个天文学家能完全客观地研究宇宙，他就不会承认天空中数不胜数的恒星都是单为人类的利益而存在的。他必然认为还有不少的恒星，其周围运行着有与人相似的生命存在的行星。所以，他对那些诸如恒星相撞或恒星接近之类的假说不予理睬，因为接受这样的假说，就无异于承认我们太阳系赋有特殊性或近似特殊的条件。　

　　而且还有人证明过，即使两颗恒星相撞或互相靠近，抛向太空中的气体也不会凝聚为行星，因为气体的密度肯定很低，气体的运动只能导致气体的继续扩散。所以天文学家力求把太阳系的形成解释为一种不受外界影响的自身独立的变故。　

　　星云收缩说　星云说　

　　星云说是18世纪后半叶德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出来的。星云说认为太阳系是由一团巨大、灼热而又转动着的原始太阳星云在引力作用下演化而成�