旅行到时空边缘：灰烬与钻石，星云NGC6302的奇迹

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第26章灰烬与钻石恒星会锻造出钻石星球，质量是地球的好多万倍从恒星到星云2009年，哈勃太空望远镜对准天蝎座尾巴附近的深空，拍下了一个编号为NGC 6302的星云图像，它像一只色彩斑斓的蝴蝶，称为蝴蝶星云。蝴蝶星云NGC6302，翅膀边缘部分充满了氮元素，接近星云中央的白色区域富含硫元素。白矮星的传说行星状星云的灰烬消散在宇宙太空之后，星云中央那个小而致密的残骸显露出来，就是白矮星。

第26章　灰烬与钻石

恒星会锻造出钻石星球，质量是地球的好多万倍

从恒星到星云

2009年，哈勃太空望远镜对准天蝎座尾巴附近的深空，拍下了一个编号为NGC 6302的星云图像，它像一只色彩斑斓的蝴蝶，称为蝴蝶星云。这只太空巨蝶远在3800光年之外，翼展长达3光年—约30万亿公里。

蝴蝶星云是由一颗恒星蝶化而成。那是一颗质量和太阳相当的恒星，在青壮年时期，它燃烧核心的氢，把氢聚变成氦。当核心区的氢消耗完后，恒星就步入老年，核心开始了氦聚变为碳的反应，而外围原来没有参与聚变的氢这时候被点燃，也开始了聚变为氦的反应，恒星体积因为外围气体的燃烧而迅速膨胀，表面温度则因为体积膨胀而下降，于是恒星演变成一个又红又大的红巨星，体积最终达到太阳的10亿倍以上。大约5000年前，红巨星的外层气体逸散开来，成为漂亮的星云。由于恒星在旋转，气体在两极方向逸出的速度要快些，在赤道附近则低许多，于是在两极方向就生出了两个蝴蝶状的翼展结构。

恒星通过蝶化成星云，把自己锻造的重元素抛到太空，丰富了宇宙的重元素。蝴蝶星云翅膀边缘部分，充满了氮元素，其温度相对低一些；接近星云中央的白色区域，则聚集着大量的硫元素。

在浩瀚的银河系里，类似蝴蝶星云这样的气体云团还有很多，它们都是恒星晚期以相对平静的方式喷出气体形成的，这类星云被称为行星状星云，其实它们跟行星没有一点儿关系。18世纪英国天文学家威廉·赫歇尔最早观测到这样的星云，他的望远镜看不到这些星云的细节，它们看起来就像行星那样有一个小小圆面，赫歇尔就给它们取名行星状星云，这名字一直沿用下来。在现代大型天文望远镜里，这些行星状星云呈现出绚丽的色彩和多姿的形态，有的似盛开的鲜花，有的如晶莹的宝石，尽情绽放着恒星最后的美丽。

蝴蝶星云NGC 6302，翅膀边缘部分充满了氮元素，接近星云中央的白色区域富含硫元素。

绚丽的行星状星云只是昙花一现，它们以每秒10～30公里的速度向外扩散，几万年后就会完全散去，彻底融入到银河系的气体尘埃之中。

在星云的中央，往往会留下了一个小小残骸，那是一颗极为致密的白矮星。

白矮星的传说

行星状星云的灰烬消散在宇宙太空之后，星云中央那个小而致密的残骸显露出来，就是白矮星。关于白矮星的存在，很早就流传着一个神秘的传说。1930年，两位法国人类学家到非洲马里共和国考察，发现居住在马里南部山区的多冈人，竟然知道有关天狼星的很多秘密。

同许多非洲部落一样，多冈人崇拜并祭祀天狼星，不仅是因为天狼星很明亮，而且他们有一个世代相传的说法：天狼星是由一颗大星和一颗小星组成的，人的眼睛看不见小星，它围绕大星运动，50年转一圈；他们还说，天狼星小星是天空中最小最重的星。尽管多冈人肉眼看不见这颗暗淡的伴星，老人们却能用手杖在地面上划出这两颗星的运行路线和各种图形。

多冈人还说，他们祖辈关于天狼星小星的知识，是一位名叫“偌默”的神传授的。多冈人还保存着一张画，上面清楚地画着，他们信仰的“神”乘坐一艘拖着火焰的大船从天而降，来到他们的部落。

多冈人所说的天狼星小伴星，是19世纪中期以后，才慢慢被天文学家们发现的。1844年，德国天文学家贝塞尔注意到天狼星的运动比较奇怪，它不像一般恒星那样沿直线均匀移动，而是波浪般起伏。贝塞尔由此断言，天狼星是一个双星系统，它有一个看不见的伴星，波浪般起伏的路线是双星互相绕转的结果。贝塞尔的望远镜太小，看不到那颗恒星，1862年，美国天文学家克拉克终于在大望远镜里找到了这颗伴星。人们把原来的天狼星称为天狼星A，天狼星的伴星称为天狼星B，两星互相绕转的周期正是50年。

超级致密的星星

1915年，威尔逊山天文台的亚当斯测得天狼B的表面温度是25000度，远远高于太阳表面的6000度。可是，它又很暗弱，亮度只有天狼A的万分之一，这说明它的发光面很小，体积很小。经过多次测量，人们发现，天狼星B的大小很接近地球，这在恒星当中是非常小的，要知道太阳体积是地球的130万倍。天狼星B的质量很小吗？根据它和天狼星A的引力作用，天文学家们计算出它的质量一点也不轻，和太阳差不多，有三十多万个地球那么重。

很明显，天狼星B拥有惊人的密度—像一截粉笔头那么大一块白矮星物质，质量就有1吨多，密度是水的一百多万倍！这实在是一个让人惊讶又困惑的星体，爱丁顿在1927年写道：

我们透过星光之中的讯息来学习与了解星星。当我们解读了天狼星伴星传来的光讯息之后，我们得到以下的解释：组成这种星体的密度，比你见过的任何材料密度都要高3000倍；光是一块小到可以放进火柴盒里的这种星体物质，它的重量就可以超过一吨。看到此讯息我们能做何回应？在1914年，我们通常只会有一种回应—闭嘴，别尽说些荒唐话。

恒星的熄灭与坍缩

1920年代，量子力学发展起来以后，人们才渐渐明白了白矮星的奥秘。恒星虽然体积庞大，其实内部相当空虚，因为它的质量都集中在一个很小的核心上，比如太阳的核心有一个日核，体积约为太阳的百分之一，却拥有太阳一半的质量。当恒星膨胀成红巨星，继而成为行星状星云消散以后，它的小小核心还保留了原来恒星的大部分质量。

这个小小的核心，密度是非常大的，因而内部压力也非常大。在恒星正常燃烧的时候，核心产生的热量能够抵御万有引力的挤压，星体可以维持在正常状态，但当恒星的核反应熄灭之后，问题就来了。

恒星那个小小的核心虽然很致密，其实依然是很空虚的。它也由原子核和电子组成，绝大部分质量都集中在原子核里，核外电子只占原子核质量的1836分之一，但它们占据的空间却比原子核大了万亿倍，因此原子核外围的空间非常空旷，电子如幽灵般在空荡荡的区域里出没。

当核反应熄灭，星核温度降低，内部向外膨胀的压力减小，万有引力就占了上风，电子的空间被极大压缩，星体的密度就迅速增大，星体就开始收缩下去，一直收缩到原来体积的万分之一左右。这时候，一个自然法则就开始起作用，阻挡星体继续收缩。

电子在原子核外的运动轨道就像一个个“房间”，每个“房间”最多只能容纳两个电子，这两个电子还必须自旋方向相反。泡利发现的“不相容原理”表明，无论电子多么拥挤，任何已被两个电子占据的“房间”都不能挤进第三个电子，通俗地说，泡利不相容原理拒绝电子“第三者”插足。

通常情况下，这种危险并不存在，因为原子核外很空旷，电子“房间”大多是空的。当恒星熄灭，万有引力开始肆虐，星核体积被压缩到万分之一的时候，电子被驱赶到内部很小的空间里，挤满内层每一个电子房间。这时候，面对强大万有引力的继续挤压，一对对电子情不自禁地高速战栗，甚至接近光速，这产生了极大的电子简并的力量，阻止了第三者的入侵，也阻止了星体继续塌缩，白矮星由此形成。

白矮星是强大万有引力和电子简并力的平衡。假如把1立方厘米的白矮星物质瞬间转移到地球表面，失去万有引力的压缩，这些被极度压缩的物质就会瞬间膨胀几亿倍，发出耀眼的光芒和强烈的辐射，类似一个小型原子弹爆炸。

电子简并虽然能够产生极大的抵抗压力，但这时候它们几乎已经用尽了力量的极限。如果这时候白矮星的质量继续增加，电子还能支撑住吗？会最终妥协以至于让“第三者”插足吗？年轻的钱德拉塞卡对这个问题着了谜。

钱德拉塞卡极限

1930年，19岁的钱德拉塞卡在印度完成了大学课程，被剑桥大学录取为研究生。7月，钱德拉塞卡登上了大英帝国的轮船，驶向福勒和爱丁顿的家乡，大海的单调使钱德拉塞卡安静地思考，奇异的天狼星B使他着迷。

钱德拉塞卡的头脑里浮现着白矮星的种种疑问。白矮星由于密度很大，电子已经被挤压到很小的房间格子里，其运动速度已经接近光速，如果此时白矮星的质量再大一些，万有引力就会再强一些，星体就会被再压缩一点，电子的速度就会更快。

钱德拉塞卡认识到，假如电子接近光速运动，那么它的速度是没有办法增得更高的，否则就将超过光速了，这意味着白矮星的质量不能太大，它必然有一个上限，超过这个上限，电子的简并压力也不能支撑起星体，同时电子也不会苟同“第三者”插足，那是自然的法则，不能违背。这样，白矮星必然要崩溃并继续坍缩下去。在轮船上的最后几天，钱德拉塞卡计算出，白矮星的质量不能超过1.44倍太阳质量。

钱德拉塞卡有关白矮星质量上限的文章几经周折，才得以在美国的《天体物理学》杂志上发表，那已经是一年之后了。天文界对论文没什么反应，似乎没有人感兴趣，实际上没有多少人能理解。钱德拉塞卡为了完成博士学位，只好转到别的更容易被接受的研究上去。

1934年，钱德拉塞卡完成了博士学位的学习，转回来对白矮星进行了更细致的研究。他研究了各种不同的白矮星，结果发现它们都有1.44倍太阳质量的上限。钱德拉塞卡感到无比幸福和自豪，他获得了向英国皇家天文学会报告自己成果的机会，时间是在1935年1月11日。

钱德拉塞卡怀着激动的心情，报告了自己的发现，特别强调了白矮星1.44倍太阳质量的上限。虽然自我感觉完美，但心中依然忐忑，等待着权威的裁决。

权威是爱丁顿，那时代当之无愧的白矮星专家，在白矮星没有被证实之前最早接受了它的存在，并且在1924年根据广义相对论预言天狼B的光线会产生引力红移，1925年被观测证实。但爱丁顿的表现让人惊诧，他不仅对报告表示强烈反对，还当众撕毁了钱德拉塞卡的论文，钱德拉塞卡瞬间感到透心凉。

那时候，爱丁顿是英国天文界的伟人，来自全世界的天文学家们，都满怀敬意地听他讲话。显然，如果爱丁顿认为钱德拉塞卡错了，那么钱德拉塞卡一定错了。会后，科学家们一个个走到呆若木鸡的钱德拉塞卡跟前安慰他，其中一人对钱德拉塞卡说：“我知道爱丁顿是对的，尽管不知道为什么。”

是啊，白矮星本身已经太不可思议了，科学界还没有理解好它，对于钱德拉塞卡的质量上限确实需要时间慢慢消化。保守的英国科学界接受不了钱德拉塞卡，他只好来到美国。在那里，他的才能得以发挥，还兼任《天体物理学》杂志主编长达20年之久，使该杂志成为世界上最权威的专业期刊之一。

多年以后，科学界不但接受了白矮星的质量上限，还接受了更加奇异的中子星、黑洞的存在。1983年10月19日，钱德拉塞卡获得了诺贝尔物理学奖，这一天正是他73岁生日。“1.44”这个数字成为诺贝尔奖历史上最简单的获奖数字，钱德拉塞卡在颁奖仪式上发表演说，最后一句便是“简单是真理的标志，美是真理的光辉”。

钻石星球

由于没有热核反应来提供新能量，白矮星会渐渐冷却下来，冷却过程非常缓慢，往往需要数十亿年时间。随着温度降低，组成白矮星的碳原子核运动速度也越来越慢，最后被固定在一个个晶格之中，结成一个巨大的晶体，一颗无比硕大的钻石。

2005年情人节前夕，一个国际联合小组经过8年多的观测研究，宣布发现半人马座中一颗暗淡的白矮星BPM37093，核心确已结晶，形成了一个直径3000公里的钻石内核，质量是2270亿亿亿吨，相当于38万个地球重，换算成人类计量钻石的单位，就是10，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000克拉。作为对比，镶嵌在英皇王冠的价值连城的“库里南2号”钻石，重达317.4克拉。

在银河系里，目前大约有10％的恒星是白矮星。最终，我们的宇宙会遍布钻石星球。

重达几十万个地球的钻石星球遍布宇宙价值连城的大英帝国王冠上的钻石

旅行到时空边缘：灰烬与钻石，星云NGC6302的奇迹

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