宇宙中有很多浩瀚的星系，銀河系中的太陽(yáng)照亮我們的世界，給我們帶來光明和溫暖。但恒星會(huì)永恒嗎？太陽(yáng)最后也會(huì)毀滅？到那時(shí)我們又該何去何從呢？或許“流浪地球”里的世界真會(huì)到來，我們是否真會(huì)帶著地球“流浪”呢？
出品：'格致論道講壇'公眾號(hào)（ID：SELFtalks）
以下內(nèi)容為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)助理研究員張君波演講實(shí)錄：
2019年大年初一上映了一部非常精彩的科幻電影，叫《流浪地球》。
這部電影講的是假設(shè)太陽(yáng)演化到了紅巨星階段，在短短數(shù)百年內(nèi)，它將發(fā)生氦閃，地球?qū)⒚媾R危險(xiǎn)。
于是，人類聯(lián)合政府啟動(dòng)了“流浪地球計(jì)劃”，計(jì)劃將地球作為一艘宇宙飛船，帶領(lǐng)地球生命駛離太陽(yáng)系，飛向4.2光年外的最近的恒星——比鄰星，在這個(gè)過程當(dāng)中發(fā)生的一些故事。
什么是紅巨星？什么是氦閃？
要解答這些問題，就要從天文學(xué)中非常重要的研究方向——恒星及演化理論中去尋找答案了。
什么是恒星？
恒星是一種非常常見的天體，它是一顆憑借自身引力凝聚成的能自己發(fā)光的球體。
離我們最近的是哪個(gè)恒星？
最近的恒星就是我們熟悉的太陽(yáng)。太陽(yáng)的半徑是70萬(wàn)公里，是地球半徑的109倍，地球距離太陽(yáng)1.5億公里遠(yuǎn)。
宇宙中公認(rèn)的最快速度是真空中的光速，光以大約每秒30萬(wàn)公里的速度，從太陽(yáng)表面到地球也需要500秒的時(shí)間，大概8.3分鐘。
如果大家走到戶外，看到的太陽(yáng)光其實(shí)是8.3分鐘之前太陽(yáng)發(fā)出的光。此時(shí)此刻，太陽(yáng)發(fā)生的任何變化，我們需要再等上8.3分鐘才可以看到，可見這個(gè)距離非常遠(yuǎn)。
太陽(yáng)的體積是地球的130萬(wàn)倍。天文學(xué)家通過分析太陽(yáng)的光譜得知，太陽(yáng)的大氣中，70%是氫，28%是氦，2%是重元素，其實(shí)太陽(yáng)在銀河系中是非常普通的一顆恒星，它不算大，甚至還有一點(diǎn)點(diǎn)小。
銀河系長(zhǎng)什么樣？
我們不知道。蘇軾在《題西林壁》里寫到“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”。由于我們生活在銀河系，因此無(wú)法跳出銀河系來給它拍一張照片，但是我們通過觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，銀河系是一個(gè)漩渦星系，我們的鄰居仙女座大星系正好也是一個(gè)漩渦星系。
銀河系是一個(gè)明亮的河球，有銀盤、銀暈，于是天文學(xué)家根據(jù)觀測(cè)，以及一些理論，再加上看到的一些漩渦星系，構(gòu)想出了銀河系大概的樣子。
太陽(yáng)在哪里？給大家圈出來了。銀河系有河球、銀盤、銀暈，銀盤上有很多懸臂。
銀河系有多少顆像太陽(yáng)一樣的恒星？據(jù)統(tǒng)計(jì)，大概有2000-4000億顆恒星。剛才給大家演示的仙女座大星系，無(wú)論從質(zhì)量還是半徑上來看都比銀河系要大一倍，也就是說仙女座大星系至少要有4000億顆恒星。
宇宙到底有多少顆恒星？可以初步估算一下，宇宙大約有上千億個(gè)星系，每個(gè)星系大約有上千億顆恒星，整個(gè)宇宙包含了大約10的22次方顆恒星，這個(gè)數(shù)量我們不知道有多大，只知道大概是這個(gè)數(shù)字。
大家有沒有數(shù)過地球上的沙粒？它是數(shù)不盡的。有人做了統(tǒng)計(jì)，大概地球上會(huì)有10的18次方顆沙子。宇宙當(dāng)中有10的22次方顆恒星，也就是宇宙中恒星的數(shù)目比地球上的沙粒還要多得多。宇宙這么大，似乎拿望遠(yuǎn)鏡對(duì)向天空，就可以撈到大把的恒星。
大量研究發(fā)現(xiàn)，恒星跟人類一樣有出生和死亡，恒星寶寶是怎么誕生的呢？
恒星寶寶實(shí)際上起源于一團(tuán)氣體云，氣體云會(huì)存在分布不均勻的情況，密度比較大的區(qū)域存在引力，會(huì)吸引周圍的氣體，使自己的質(zhì)量逐漸增大，然后形成一顆原恒星。
人和人之間根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律有萬(wàn)有引力作用，那我們?yōu)槭裁锤杏X不到呢？因?yàn)橘|(zhì)量太小了，如果質(zhì)量大到一定程度，引力的作用就會(huì)非常明顯。
剛才提到原恒星形成之后，就像滾雪球，越滾越大，原恒星的質(zhì)量非常高，高到一定程度，恒星內(nèi)部的溫度、壓強(qiáng)、密度都會(huì)非常高，高到能夠?qū)⒃阈莾?nèi)部的氫點(diǎn)燃，發(fā)生核聚變，于是一顆恒星寶寶就這樣誕生了。
宇宙中恒星的數(shù)目非常多，種類也很多，就拿最熟悉的太陽(yáng)來講解恒星的一生吧。
太陽(yáng)寶寶誕生之后，意味著它的內(nèi)部啟動(dòng)了氫核聚變，氫燃燒之后會(huì)進(jìn)入一個(gè)非常穩(wěn)定的階段，叫主序階段。
主序階段是怎么達(dá)到穩(wěn)定的呢？恒星內(nèi)部不斷燃燒氫，發(fā)生核聚變，氫發(fā)生核聚變會(huì)生成更重的氦，氦會(huì)沉積在恒星的內(nèi)部。
在這個(gè)核聚變的過程中，恒星會(huì)輻射出大量的能量，能量會(huì)支撐恒星有一個(gè)向外膨脹的作用力。另外，由于恒星太陽(yáng)的質(zhì)量非常大，所以由于引力、重力的作用它會(huì)有相對(duì)收縮的力，兩者達(dá)到平衡后，就形成一個(gè)穩(wěn)定的階段。
也就是說，現(xiàn)在的太陽(yáng)就處在一個(gè)穩(wěn)定燃燒的階段，即主序階段。據(jù)天文學(xué)家研究計(jì)算，太陽(yáng)已經(jīng)穩(wěn)定燃燒了45億年，而且還將繼續(xù)穩(wěn)定燃燒50億年。
設(shè)想一下，總有一天太陽(yáng)內(nèi)部的氫會(huì)耗盡，那一天會(huì)怎么樣？如果恒星內(nèi)部的氫燃燒完了并生成了氦，這時(shí)的氦暫時(shí)無(wú)法點(diǎn)燃，會(huì)占據(jù)恒星內(nèi)部，而氫就會(huì)跑到恒星的外部，燃燒就從恒星內(nèi)部轉(zhuǎn)移到恒星外部，這就打破了原有的平衡。
于是太陽(yáng)就會(huì)向外擴(kuò)張，擴(kuò)張成一個(gè)又大又紅又亮的恒星。這個(gè)階段就稱為紅巨星階段。
紅巨星的半徑非常大，對(duì)于太陽(yáng)來說，當(dāng)它演化到晚期紅巨星階段時(shí)，它的半徑會(huì)漫過水星、金星的軌道，甚至到達(dá)地球的附近，太陽(yáng)能量如此巨大，溫度還非常高，地球早就不復(fù)存在了。
什么是氦閃？
氦閃實(shí)際是發(fā)生在恒星演化到紅巨星晚期的時(shí)候，由于恒星在中期時(shí)積累了很高的溫度，在中心部分將氦點(diǎn)燃了，氦點(diǎn)燃之后燃燒非常快，短短數(shù)秒鐘之內(nèi)就能夠釋放出大量的能量。
在《流浪地球》小說原著中描述的氦閃過程非常震撼，但實(shí)際上氦閃的過程是發(fā)生在恒星內(nèi)部的，我們是看不到那樣震撼的場(chǎng)面。
《流浪地球》說人類為了避免氦閃才開始了逃亡計(jì)劃，這個(gè)不太準(zhǔn)確，實(shí)際上在太陽(yáng)演化成紅巨星之前，就應(yīng)該做好逃亡的準(zhǔn)備。如果等到氦閃的時(shí)候才逃亡，地球已經(jīng)被紅巨星給吞沒了。
另外，剛才提到太陽(yáng)還將穩(wěn)定燃燒50億年，其實(shí)我們并不需要太過擔(dān)心太陽(yáng)老了之后會(huì)造成地球毀滅。我們反而更應(yīng)該擔(dān)心，由于人類自己缺乏保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的意識(shí)而毀滅了地球。
比如，我們不注意碳的排放量，全球溫度升高，造成冰山融化，可能在太陽(yáng)引起地球變化之前，地球就因?yàn)槿祟惙N種的活動(dòng)而毀滅了，所以保護(hù)地球還是最首要的任務(wù)。
恒星真的永恒嗎？
恒星不是永恒的，它會(huì)死亡。對(duì)于太陽(yáng)這樣的恒星，當(dāng)它演化到紅巨星階段時(shí)，就意味著它瀕臨死亡了。
天文學(xué)家通過分析發(fā)現(xiàn)，恒星確實(shí)是有壽命的，而且它的壽命跟它的質(zhì)量有很大關(guān)系，對(duì)于一顆跟太陽(yáng)質(zhì)量差不多的恒星，它的壽命大概是百億年量級(jí)，太陽(yáng)現(xiàn)在的年齡大約是45億年，老去至少還要50億年。
對(duì)于質(zhì)量大的恒星，如果是40個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，它的壽命僅僅是300萬(wàn)年。對(duì)于質(zhì)量小的，比如只有0.2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，它們的壽命將是2500億年。
恒星的質(zhì)量不光決定了它的壽命，另外，不同質(zhì)量的恒星顏色也不一樣。大質(zhì)量的恒星通常會(huì)發(fā)偏藍(lán)白的光，小質(zhì)量的恒星發(fā)出來的光偏紅。
我們還注意到，恒星不同的顏色溫度就不同，藍(lán)白的光溫度比較高，質(zhì)量小一點(diǎn)的，發(fā)紅光的恒星溫度相對(duì)較低。
天文學(xué)家根據(jù)類似太陽(yáng)的恒星光譜能量分布，將恒星分成很多不同的光譜星。我的主要研究方向就是像太陽(yáng)一樣的晚型的恒星。
剛才提到恒星的質(zhì)量決定了恒星的演化情況、恒星的狀態(tài)。另外，恒星的質(zhì)量還決定了恒星最終死亡后的產(chǎn)物是什么，也就是恒星最終的歸宿。
對(duì)于中小質(zhì)量恒星，比如小于8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，它們演化到晚期的時(shí)候會(huì)形成一顆紅巨星，之后會(huì)將周圍的物質(zhì)拋灑出來，只留下中心一顆體積很小，密度很高的星體球體，就是白矮星。
對(duì)于大質(zhì)量恒星，它們演化到晚期會(huì)形成紅超巨星，并且發(fā)生超新星爆炸，爆炸之后，留下了中心非常小的核。
如果它原來的質(zhì)量大于8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，小于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，這個(gè)核就會(huì)變成中子星。
如果大于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，超級(jí)星爆炸后，中心會(huì)留下一個(gè)黑洞。
如果有機(jī)會(huì)從白矮星上摳下來籃球大小的一塊物質(zhì)，放在天秤的一端，要想讓天秤保持平衡，天秤的另一端就需要放一艘航海巨輪，可見這個(gè)白矮星的密度之高。
假如我們有一雙手，可以伸到黑洞里去挖下來一個(gè)玻璃球這么大的小球，它的質(zhì)量也會(huì)等于地球。
剛才提到我的主要研究方向是晚型恒星，研究的方法就是用天文望遠(yuǎn)鏡拍攝恒星的光譜，這些就是恒星的光譜，這個(gè)光譜大家看了可能有一點(diǎn)密集恐懼癥，但是我敢保證，這個(gè)光譜已經(jīng)是我看到的最好的太陽(yáng)光譜了。
通過分析太陽(yáng)光譜，包括恒星光譜，我們可以得到恒星的參數(shù)，包括這顆恒星的表面溫度、重力、金屬含量，還可以結(jié)合演化曲線得到恒星的質(zhì)量、年齡、速度等等。
有了這些信息，我們可以研究很多恒星的理論。另外，我們還可以通過分析恒星光譜來獲得恒星各種元素的組成成分，從而研究恒星以及星系的形成和演化。
平時(shí)的觀測(cè)要利用國(guó)內(nèi)、國(guó)外的大型望遠(yuǎn)鏡。非常幸運(yùn)的是，我在我們國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站工作，這也是亞洲大陸最大的光學(xué)天文觀測(cè)基地，它擁有口徑超過50厘米的科研級(jí)望遠(yuǎn)鏡9臺(tái)。
我主要用其中兩臺(tái)比較大的望遠(yuǎn)鏡，它們是觀測(cè)基地最大的兩臺(tái)，也是目前我們國(guó)家已經(jīng)建成的口徑排名第一和第三的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡——郭守敬望遠(yuǎn)鏡和2.16米望遠(yuǎn)鏡。
在夜晚的基地上空，我們能夠看到非常燦爛的星空，時(shí)間合適，就可以看到這樣絢爛的銀河。
如果仔細(xì)去看，我們可以看到天上的星星分很多種，而且顏色是不一樣的，還會(huì)看到一個(gè)非常明顯的星座，那是冬季最為耀眼的星座——獵戶座。旁邊的這幅圖展示的是依據(jù)希臘神話想象出來的一個(gè)獵人的形象。
上面兩顆星是獵人的肩膀，下面兩顆星是獵人的兩條腿，中間的兩顆星是獵人的腰帶，下面一束是獵人的佩劍，左上角的那顆星看起來和其他的星不一樣，有點(diǎn)發(fā)黃、發(fā)紅，而且個(gè)頭比較大。
觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這顆星是一顆紅超巨星，質(zhì)量大約是太陽(yáng)的十幾倍，我們估算它有可能已經(jīng)發(fā)生了超級(jí)星爆炸，但是現(xiàn)在暫時(shí)看不到，因?yàn)樗嚯x我們大約有1500光年，也就是說，我們想看到它爆炸之后的景象，要等上1500年。
下面模模糊糊的一束就是獵人的佩劍，如果在山上拿一個(gè)十厘米口徑的小的科普望遠(yuǎn)鏡，后面接一個(gè)單反相機(jī)，就可以拍到這樣的景象。
這就是著名的獵戶座大星云，這個(gè)星云的中間區(qū)域有很多明亮的部分，這些部分就是恒星寶寶成團(tuán)誕生的區(qū)域，也叫恒星形成區(qū)，也就是說獵戶座大星云是恒星寶寶誕生的搖籃。
天空中有很多漂亮的星云，剛才說到恒星誕生的搖籃，現(xiàn)在我們?cè)賮碚f一下恒星死亡的墳?zāi)埂?/strong>
這顆星是一顆紅超巨星發(fā)生了超級(jí)星爆炸之后留下的遺跡，非常著名的蟹狀星云。
這個(gè)是窩狀星云，它的質(zhì)量明顯沒有剛才那顆恒星的質(zhì)量大，因此爆炸得沒有那么嚴(yán)重，還是比較整齊的，中心有一個(gè)小白點(diǎn)，這就是留下的一個(gè)中心致密的核。
這個(gè)星云是貓眼星云，很多天文學(xué)家研究它，因?yàn)?strong>它是一顆質(zhì)量為太陽(yáng)大小的恒星在死亡的時(shí)候留下的景象。從這張照片當(dāng)中，我們似乎可以看到太陽(yáng)在死亡的時(shí)候會(huì)是一個(gè)什么樣的景象，而且也基本能夠感受到這顆恒星在死亡前的掙扎。
質(zhì)量大于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星死亡后會(huì)形成黑洞。
2019年之前，天文學(xué)家并不知道黑洞真正長(zhǎng)什么樣，因?yàn)楹诙吹馁|(zhì)量太大了，引力非常強(qiáng)，強(qiáng)到即使是光以那么大的速度都逃不出來，所以，我們說它黑也是因?yàn)楣馀懿怀鰜?，我們看不到它?/p>
但是，由于黑洞的周圍會(huì)存在強(qiáng)引力場(chǎng)，黑洞周圍的氣體會(huì)形成一個(gè)吸積盤，有些時(shí)候會(huì)有一些噴流，所以有時(shí)候我們可以觀測(cè)到這些明亮的部分。
于是我們根據(jù)觀測(cè)到的部分想象黑洞原來的樣子。直到2019年4月10號(hào)，我們終于獲得了人類歷史上第一張黑洞照片，這張照片由全球200多位天文學(xué)家利用8臺(tái)亞毫米波設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡組成的巨大望遠(yuǎn)鏡陣，對(duì)M87這個(gè)橢圓星系中心拍攝拍到的。
大家可能會(huì)說，這個(gè)黑洞看起來不如剛才藝術(shù)家想象得那么好看。我想說的是，它雖然沒有藝術(shù)家想象得那么絢爛，但是它卻是實(shí)實(shí)在在被我們拍到的。對(duì)于人類了解黑洞，了解宇宙演化，這是人類歷史上邁出的重要一步，非常大的一步，意義非凡。
剛才講到恒星會(huì)出生，也會(huì)死亡。恒星死亡的時(shí)候會(huì)拋射大量物質(zhì)到星際空間中，這些物質(zhì)又將會(huì)成為下一代恒星形成的組成材料，這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程。
從這個(gè)角度來講，雖然恒星自身并不是永恒的，但是它卻生生不息，或許這就是另外一種永恒的存在。
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