人類如何揭開恆星的生老病死之謎？

知識 07-23

應該有不少讀者都聽過這樣的說法：

「

天狼星是除太陽以外最亮的恆星。

」

但嚴格說來，這種說法並不準確。因為天狼星其實是一個包含兩顆恆星的雙星系統。下面這張圖是哈勃空間望遠鏡所拍到的天狼星的影像。中間那顆白色的大星星就是天狼星A，而它左下方的那顆白色的小星星就是天狼星B。

讓我們從天狼星A說起。這是一顆塊頭較大的恆星，其質量是太陽的2倍，而絕對亮度則是太陽的25倍。由於絕對亮度很大，離地球又比較接近，天狼星A才得以成為全天空除太陽外可視亮度最大的恆星。事實上，絕大多數的時候，它的可視亮度僅次於太陽、月球、金星和木星，高居全天空第5。

與太陽和半人馬座α三合星一樣，天狼星A也是一顆主序星。估計有不少讀者都不清楚什麼是主序星。下面，我就借著介紹主序星基本概念的機會，來講講人類認識恆星演化規律的歷史。

之前遊覽三體世界的時候，我們已經講過19世紀末20世紀初由一群默默無聞的女天文學家所完成的哈佛恆星分類。她們根據恆星的表面溫度，把天上的恆星分成了O、B、A、F、G、K、M這7大類型。不過，此研究僅僅是人類朝恆星世界邁出的第一步。換句話說，要想真正回答天上到底有哪些恆星，以及恆星會經歷怎樣的生老病死，僅僅靠一個哈佛恆星分類是遠遠不夠的。

20世紀初，在哈佛恆星分類的基礎上，兩個天文學家邁出了人類了解恆星的最關鍵的一步。他們分丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素。

赫茨普龍原本是一個化學家，在俄國聖彼得堡工作。在那裡，赫茨普龍一直過得鬱郁不得志。所以在他28歲的時候（也就是哈佛計算員團隊提出哈佛恆星分類標準的1901年），赫茨普龍轉了行，成了一名天文學家。

赫茨普龍決心搞清楚天上到底有哪些恆星。1906年，他發現了一件非常有趣的事情：那些顏色偏紅、溫度較低的恆星（即K型和M型恆星）其實可以分成兩大類，其中一類遠比太陽亮，而另一類則遠比太陽暗。這意味著，哈佛恆星分類其實有很大的局限性，不足以區分天上所有的恆星。為了加以區分，赫茨普龍把那些特別亮的恆星稱為「巨星」，而把那些特別暗的恆星稱為「矮星」。

隨後，赫茨普龍開始研究星團，也就是一大群被引力束縛在一起、與地球之間的距離差不多相同的恆星的集合。由於與地球差不多遠近，這些恆星的可視亮度就反映了它們的絕對亮度。

1911年，他發明了下面這種對恆星分類的圖。這是一個以恆星表面溫度為橫坐標、以恆星絕對亮度為縱坐標的直角坐標系。赫茨普龍發現，絕大多數恆星都落在一個從左上角一直延伸到右下角的帶狀區域里。而所有落在這個對角線帶狀區域里的恆星，就是我們前面所說的主序星。對主序星而言，表面溫度越高，其絕對亮度就越大；表面溫度越低，其絕對亮度就越小。

除了主序星的對角線，還有兩個恆星密集區域。其中一個在右上角。此處的恆星的表面溫度較低，呈紅色，但絕對亮度很大，因而被稱為紅巨星。另一個則在左下角。這裡的恆星的表面溫度很高，呈白色，但絕對亮度卻相當小，因而被稱為白矮星。

幾乎在同一時期，美國普林斯頓大學天文學教授羅素也做了相同的研究。但不同於研究星團的赫茨普龍，羅素精挑細選了一批能用三角視差法測出距離的恆星，然後直接計算出了它們的絕對亮度。接下來，他也畫了一張以恆星表面溫度為橫軸、以恆星絕對亮度為縱軸的圖，並得出了與赫茨普龍相同的結論。

後來，人們為了紀念赫茨普龍和羅素，就把他們發明的這種對恆星進行分類的圖稱為「赫羅圖」。

有了赫羅圖以後，人類才徹底搞清楚天上的恆星到底有哪些類型。不過，赫羅圖本身並不能告訴我們不同類型的恆星（例如主序星、紅巨星和白矮星）之間到底有什麼關聯。換句話說，人們還是搞不清恆星的演化規律。

一直到20世紀20年代，這個僵局才被打破。而這個破冰之人，就是英國著名天文學家亞瑟·愛丁頓。

1882年12月28日，愛丁頓出生在英格蘭北部的一個知識分子的家庭，他爸爸是當地一所中學的校長。就像很多著名科學家的爸爸一樣，老愛丁頓也活得不長；1884年，他死於一場席捲整個英格蘭的傷寒爆發。

愛丁頓夫人帶著她的兩個孩子，搬到了一個生活費用較低的海濱小鎮，然後靠著自己打零工的微薄收入勉強度日。到了上學的年紀，愛丁頓進了一所預科學校。作為一個科學家的標配，他也在那裡遭遇了不可避免的校園霸凌。

但不久之後，愛丁頓就展現出神童的天分。10歲那年，他考上了當地最好的中學。15歲的時候，他又考入了曼徹斯特大學。此後，他的人生之路越走越順。19歲那年，他進入劍橋大學三一學院深造，並在三年後順利獲得碩士學位（當時劍橋大學的最高學位就是碩士）。30歲那年，他當上了劍橋大學正教授。31歲的時候，他又被選為了英國皇家學會的院士。

但天有不測風雲。就在他當選院士的那一年，愛丁頓遇到了他人生中最大的危機。當年，第一次世界大戰爆發。由於個人信仰，愛丁頓拒絕服兵役，這讓英國當局大為光火。一戰結束後，英國當局打算秋後算賬，把愛丁頓投入監獄。

就在這危急時刻，有貴人出手相助了。英國皇家天文學家弗蘭克·戴森跑去找英國當局，說1919年5月29日會發生一次規模很大的日全食；如果在這次日全食期間觀測遙遠星光的偏折，就能檢驗到底是牛頓引力還是廣義相對論正確。

這個提議打動了英國當局。戴森馬上又趁機說，這種觀測日全食的活動，必須要由專家帶隊。而放眼整個英國，沒有人比愛丁頓更了解廣義相對論，不如讓他戴罪立功，去負責這個日全食觀測。

後來的事就是歷史了。1919年底，愛丁頓在一次天文學大會上宣布，日全食觀測證明了愛因斯坦的廣義相對論確實優於牛頓引力。這讓愛因斯坦一舉登上了科學的神壇。

用日全食觀測來檢驗廣義相對論，這是愛丁頓公眾知名度最高的工作，卻並不是他對科學界最大的貢獻。就在他完成日全食觀測的第二年，也就是1920年，愛丁頓發表了一篇名為「恆星內部結構」的里程碑式的論文。

在這篇文章中，愛丁頓第一個猜測恆星之所以能擁有這麼強大而持久的能量，是由於它們內部一直在發生把氫聚變為氦的核反應。在此過程中，4個氫原子核變成了一個氦原子核，從而損失了大約千分之七的質量。根據愛因斯坦的質能公式E=MC^2，損失的這部分質量可以轉化成純粹的能量。這就是前面說過的主序星的能量來源。

當然，一顆恆星所擁有的氫元素並非無窮無盡。當氫元素消耗殆盡的時候，就會在恆星中心區域點燃氦元素的聚變。這個新的聚變會把恆星的外層物質拋出去，讓恆星的絕對亮度大增，這就是所謂的紅巨星。而把外層物質都拋盡以後，此恆星會剩下一個很小的內核，其表面溫度很高，但是絕對亮度很低，這就是所謂的白矮星。

說得更通俗一點，愛丁頓認為盛年的恆星（主序星階段）靠把氫聚變成氦為生。當恆星走向死亡的時候，它會啟動新的核聚變並拋出外層物質（紅巨星階段）。最後，會剩下一個昏暗的小小內核，那就是恆星的墓碑（白矮星階段）。