红特超巨星

“天人合一”之生命的起源(上)

什么是“天人合一”?可以从两方面理解：

其一，组成生命和人体的元素是与组成宇宙天体一样普通的元素，

没有什么特别的；

其二，生命的诞生和发展仰仗宇宙的自然环境。

这里先讲组成自然和人体生命的元素是如何产生的故事。

星系和恒星的形成

大爆炸300万年，也许由于弥漫的气体是带电的等离子体，它们

形成强大的电流和磁场旋涡，将等离子气体吸引在一起；也许是由于

暗物质的聚集，它们的引力开始吸引气体。它们都会使气体形成泡沫

状结构。

由于气体密度平衡被打破而产生温度差，在泡沫中密度较大的网

状纤维系统中，气体的引力使膨胀惺下来。

大爆炸近3亿年后，气体物质停止膨胀，转而收缩，形成一团团

气体云(原始星系)。由于同样的原因，这一团团气体云再分裂成较小

的云团(原始恒星)。

这些较小的云团，有的受到其它云团引力的拉扯，如两个相互绕

转的云团，它们开始缓慢地旋转。随着云团在自身引力作用下的不断

收缩，旋转加快。这就像冰上运动员伸开手臂旋转后，用收拢手臂来

加速旋转一样。当旋转产生的离心力足以平衡引力，云团停止收缩。

它们是未来的旋涡星系和棒旋星系。

有的云团没有受到外力的拉扯，整体不旋转，但它们中的各部分

仍稳定地绕中心旋转，最后使收缩停止。它们是未来整体不旋转的椭

圆星系。

在特殊情况下，还会形成一些不规则星系。

原始恒星在引力作用下继续坍缩。在此过程中，由于气体原子相

互碰撞，使温度升高。而中心区的原子密度最大，温度最高，首先达

到氢核聚变所需要的1500万度的温度，使氢核聚变为氦核，释放出

巨大的能量，以光和热的形式向外辐射，产生耀眼的光芒。

由于温度升高，内部的压力也随之升高，使引力得到平衡而不再

坍缩。大约在大爆炸3亿年后，第一批成年的恒星便诞生了。成年恒

星被天文学家统称为主序星。

主序恒星都有相同的演化进程，但进程的快慢程度却因质量的不

同而有很大的差别。目视亮度、表面温度和演化的结果也因质量的不

同而有很大的差异。

恒星的质量以太阳的质量为单位，即以太阳质量的倍数来表示恒

星的质量。太阳质量的符号为“M_⊙”，恒星的质量则表

示为0.8M_⊙、5M_⊙、10M_⊙

等等。

“烁丹炉”和“冶金炉”

从前面的叙述中我们知道，在宇宙大爆炸后，整个宇宙像太上老

君的炼丹炉，在1～3分钟时，从粒子中炼出氢核和氦核来，在约百

万年后，又炼出气体氢原子和氦原子。到约3亿年后主序恒星形成时，

这种“炼丹炉”的功能转到各个主序恒星的内部，并且逐渐转型为“冶金

炉”。

在主序恒星中心，首先是4个质子聚合成1个氦核。1个氦核的

质量小于4个质子的质量，即在聚合过程中，损失了0.7％的质量。

根据爱因斯坦发现的质能等效性，这些质量转变成巨大的能量。它们

作为光子从恒星中心辐射出来，同时使恒星内部的温度升高。

氦核不是直接由4个质子(氢核)聚合而来，它的过程是这样的：

两个质子(氢核)相撞，聚合成重氢氘核(一个质子和一个中子)，同时放

出一个电子和一个中微子；一个氘核再与一个氢核相撞，聚合成一个

氦的同位素氦-3(两个质子和一个中子)，同时辐射出能量；两个氦-3

再相撞，聚合成氦原子核(两个质子和两个中子)，同时放出两个质子。

在整个过程中，共有4个质子(氢核)聚合成一个氦核。

随着氢聚合成氦过程的发展，主序星内部的氢逐渐变成氦，在中

心形成一个氦球，氢聚变反应只在氦球的外围进行。这时，主序星迈

向老年。

随着氦球的不断增大，温度不断升高。当温度达到1亿度时，3

个氦核在相互碰撞时，发生聚变反应，生成1个碳原子。

其过程是，两个氦核相撞，聚合为镀原子核，这种镀原子是高度

放射性元素，在千万分之几到十亿分之一秒之后就会衰变为两个氦核；

但是，如果在这之前，铍核又与第3个氦核相撞，它们就可聚合成碳，

同时辐射出能量。

当中心温度继续升高后，碳原子又发生聚变反应，如一个碳原子

与一个氦原子聚合成氧原子，还有氮、氖、钠、镁、硅、磷、硫、氯、

氩、钾、钙等较重的原子核。

随着温度的不断提高，核聚变的速度也越来越快，当温度达到35

亿度时，硅也开始燃烧，聚变出更重的原子核钛、铬、锰来，但各种

元素的递次核聚变反应到铁为止，因为铁原子核的56个质子和56个

中子结合得特别紧密，形成一道“铁屏障”。这时，恒星已到老年。所

以老年恒星内部有一个铁元素的核心。

我们看到，恒星内部已是一座“冶金炉”了。

红矮星、巨星和超巨星

上述过程，因恒星质量大小不同，其进程快慢及在何处终止，差

别很大。

婴儿星的质量如果太小，其内部达不到使氢发生聚变的温度，只

能成为一颗红矮星。计算机模拟表明，最小的主序星，质量只能略小

于0.9M_⊙。这是恒星质量的下限。

恒星的质量也不可能太大。科学家用计算机模拟表明，恒星质量

大于90M_⊙时，由于宇宙中存在各种扰动，只要受到外

部轻微的压力，中心区域的物质密度就会突然增大，温度突然升高，

使氢聚变反应突然加剧，所释放的能量将恒星物质突然向外推，抛洒

一部分物质。

抛洒物质的结果，使内部压力下降，温度降低，物质在重力作用

下向中心回落，再次重复上述过程，形成一种振动。

这种振动会不断加强。由于每次振动都要损失一部分质量，当质

量降到90M_⊙时，振动就会停止。

所以主序星的最大质量大约不超过90M_⊙，这是

恒星质量的上限。

大质量恒星老年时变为巨星或超巨星。

巨星根据其表面温度的不同，分别呈蓝、白、黄、红色，以红巨

星居多。最大的为蓝巨星。

太阳质量(1M_⊙)大小的恒星，其表面温度为

5800℃，平稳的氢聚变反应约可进行100亿年，那时，中心的氢将耗

尽，形成一个氦球核心，核心外层的氢继续进行核聚变反应。随着氦

球核心质量的增大，其体积则在重力作用下收缩，使压力和温度越来

越高，结果，氦开始聚变反应，生成碳和氧，表面的光度增大1倍，

球体半径也增大1倍。130亿年后，球体半径增大10倍，光度增大

2000倍，表面温度则降到4000℃，颜色变红，成为一颗红巨星。

质量8M_⊙以上的主序恒星，由于内部物质密度大，

压力和温度高，氢聚变的速度快，向外辐射的能量多，表面温度在

8000℃以上，光度在10倍太阳光度以上。几千万年甚至几百万年后

其中心的氢即耗尽，形成氦球中心。50万年

后，氦开始燃烧，600万年后中心的氦耗尽.生成碳和氧。

计算机模拟表明，质量8M_⊙以上的晚年主序星，

其内核随温度的不断升高而核反应不断加快，在温度升到6亿度时，

碳和氧开始聚变反应，它们相互猛烈撞击，聚合成氖和镁，同时释放

出大量的能量，使温度继续升高，在达到10亿度时，氦核与氦核聚

变成镁；达到15亿度时，氧核开始聚合成硫、硅和磷；达到30亿度

时，硅开始聚变反应，并释放出大量能量，使温度越来越高，引发几

千种核聚变反应。

元素越重，聚变反应的持续时间越短，如在质量为

25M_⊙的恒星中，碳为600年，氖为6个月，硅为1天。

这8寸的“炼金炉”，温度达到极端高度的50亿度，核聚变反应的突

发性越来越强。

在这种强烈的突发性的核聚变中，更重的金属元素被制造出来。

但这座“冶金炉”并不能使核聚变反应无限制地发展下去，它的底

线是铁。

生成铁核心的主序恒星，到了生命的最后阶段，内部的核聚变反

应已经停止，只有外层在连续燃烧。这时的恒星，只得靠不断地膨胀

它的外壳来调节压力和引力的平衡，直径可增大500倍，成为一颗超

巨星。

与巨星一样，超巨星的颜色，根据其表面温度的高低，分别呈蓝

色、白色、黄色和红色。它们被分别称为蓝超巨星、白超巨星、黄超

巨星和红超巨星。

现在我们知道，地球上的万物，不管是岩石、土壤，还是草木和

飞禽走兽等生命物质，除了宇宙诞生之后不久就有的氢、氦以外，其

它的碳、氧、硅、镁、硫、磷、钙、铁等组成成分，它们全部是在主

序恒星的演变过程中产生出来的。而且，生命物质的诞生、发展和进

化，还离不开主序恒星提供的光和热。

当然，这些元素如何形成岩石、土壤，即如何形成行星和行星上

的植物、动物等生命物质，以及比铁更重的铀等元素是如何生成的，

还要在往后的叙述中见分晓。

白矮星和新星爆发

我们的太阳衰老时变成红巨星(1M_⊙～

6M_⊙的主序恒星都一样)，体积逐渐膨胀到淹没水星、

金星和地球的程度，但由于物质密度非常低，几近真空，所以并不影

响这些行星的运动。

1M_⊙～6M_⊙的主序恒星，其内部的

核反应到生成碳、氧和氖为止。由于再没有核反应提供热能，原来与

引力对抗达到平衡的气体压力，因温度的逐渐降低而降低，使引力逐

渐占了上风。由碳、氧、氖组成的内核在引力作用下坍缩，密度逐渐

增大，成为一颗致密的白矮星。

那么，是什么力量来平衡白矮星的巨大引力收缩呢?即是什么内

部力量支撑着白矮星呢?

俗话说，“一山难容二虎”。在粒子世界中也有这种情况。

1925年，奥地利物理学家沃·泡利发现，两个类似的粒子不能存

在于同一个态中，也就是说，在不确定性原理给出的限制内，它们不

能同时具有相同的位置和速度。这就是“不相容原理”。

这个原理解释了物质粒子为何不会坍缩成密度非常高的状态的

原因。为此，泡利获得了1945年诺贝尔物理学奖。

不相容原理揭示，在原子中，带负电的电子被带正电的核以电引

力所束缚，并不停地绕核旋转。像容器中的气体分子不断撞击容器壁

形成压力一样，被核束缚的电子也产生一种压力。

这种压力可以防止物质的收缩超过一定的限度。

正因为这个压力，使水、人体、木材、岩石等的密度，都只有每

立方厘米1克到几克，即部在同一量级上。

在原子中，原子核集中了绝大部分质量，但占据的空间很小，而

绕核旋转的电子虽然很轻，却占据着很大的空间。如果把原子核放大

到一粒玻璃弹子那么大，则电子轨道的半径达1千米。

因此，原子中有许多“空余”的空间。根据泡利不相容原理，这“空

余”的空间不容许别的粒子占据。如果被可能的电子所占据，则电子

会产生出一种巨大的内部量子压力，被称为“电子简并压”，以反抗外

来的压力，阻止密度的进一步增大。

拉·富勒指出，正是电子简并压支撑着白矮星的平衡。

白矮星在吸收物质和引力收缩过程中，引起电子简并压力的强烈

反弹。然后再收缩，再反弹。这种脉动要经过八百万年的时间。

最后一次强烈收缩引起最强烈的反弹，使红巨星的亮度突然增大

1000万倍，同时释放出巨大的能量，把外层气体抛洒到太空。这叫

“新星爆发”。

被抛洒的气体是构成下一代恒星的物质。

由不相容原理提供的排斥力会有一个极限，超过这个极限，电子

简并压就不足以抵抗引力的收缩，即白矮星不能存在。引力的大小是

由质量决定的，所以问题变成：多大的质量是白矮星的极限?

1928年，印度的萨·钱德拉塞卡坐船到英国去丁顿的研究生。

他在舶上算出这个极限是15M_⊙。几乎在同一时间，苏

联的列·蓝道也算出了这个极限。但后来这个极限被称为钱德拉塞卡

极限。

后来经过改善，钱德拉塞卡极限为1.4M_⊙。所有

1～6M_⊙的主序恒星死亡后，都会形成

1.4M_⊙以下的白矮星。

中子星和超新星爆发

以上说的是6M_⊙以下的主序恒星的演化过程。那

么，6M_⊙以上主序恒星的演化又如何呢?

科学家的研究认为，6M_⊙～10M_⊙

的主序恒星，老年时膨胀为超巨星。最后形成铁元素核心，温度达10

亿度。

由于没有能量流出，铁核被巨大的引力压缩，但由电子简并压支

撑着，使内部活动出现一个间歇。

不过，随着铁核心的不断增大，电子简并压逐渐难以支撑引力的

坍缩。还在不断生成的铁并入核心，在电子简并压突然崩溃的一刹那，

铁核在引力作用下剧烈地收缩，在1/10秒内，温度猛升到50亿度，

巨大的光子能将铁原子核炸开，蜕变成氦原子核。这叫“光致蜕变”。

由于铁核心的平衡发生急剧变化，无法抵挡越来越大的引力坍缩，

温度继续上升，使氦原子核蜕变为质子、中子和电子。

电子在这种极高温度下，运动速度接近光速，电子简并压也不能

抵挡引力的坍缩，在1/10秒内被挤压而与质子结合，变成中子，在

超巨星中心形成一颗“中子星”，同时释放出巨大的能量——中微子流。

中子星的半径只有几十千米，有一个固体铁外壳，中子被压缩在

一个很小的空间内。

开始时，两个中子之间还有10^-13厘米的距离，它

们之间可以相互碰撞，到后来，中子挤中子，密度达到每立方厘米1O

吨，比白矮星密度大上亿倍，相当于一个乒乓球的体积内装有直径15

千米的火卫二质量的物质，或者一只戒指中有1亿吨物质。

密度极大的中子星，有着巨大的引力，中子星表面的逃逸速度达

到光速的一半。

中子星的密度正是原子核的密度，中子星就像一个巨大的原子核。

这就意味着，物质原子中，电子轨道内的空余空间都被原子核挤占了。

这种中子挨着中子的情况，与电子的空余空间被别的电子挤占而产生

巨大的电子简并压力一样，也产生更巨大的中子简并压力。正是这种

中子简并压抵抗着巨大的引力收缩，支撑着中子星的平衡。

物质达到中子星的密度，就不能进一步被压缩。

超巨星的非中子化的外壳，在中子星的引力作用下，数以万亿吨

的物质，以约每秒4万千米的速度落到中子星的表面上，好像撞在比

金刚石还坚硬的墙上，结果被反弹回来，形成冲击波。

冲击波由中心向外传播，在几天之后到达超巨星的外壳表面，它

极其巨大的能量将外壳爆得粉碎。所释放出来的能量，相当于这颗主

序恒星一生中辐射出的全部能量。它的光度突然增大几十亿倍，在几

天之内可以照亮整个星系。原来隐藏在超巨星中的中子星裸露了出来。

这就是“超新星爆发”。

超新星爆发的极高温度，将“铁屏障”打破，聚合出钴、镍、铜、

锌等更重的原子核来。

超新星爆发的几率极少，在银河系每百年只有2～3次。由于无

法预测，只能偶然地被发现。

超新星爆发形成的星云，叫“超新星遗迹”，由于温度极高，可以

发光几百到几千年。

已知的超新星遗迹有150多个。

外壳物质铁，以及在各级核聚变中形成的碳、氧、氖、镁、硅、

磷、硫、钾、钙、钛、钒、铬、锰等元素洒向太空，形成星云，然后

逐渐散开。它们是形成下一代恒星的材料。