千亿个太阳 作者:[德]鲁道夫·基彭哈恩-第15章
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亿年以后，它才能膨胀到它的允许体积。和第一对双星的情况基本相似，这时先有一个快速的质量交换过程，总共为500万年。在这期间从主星上大约转移了一个太阳质量的物质到伴星上去。随后又有一个慢速的质量交换过程，总共为1。2亿年。在慢速质量交换结束时，最初为2个太阳质量的星，现在只余下0。26个太阳质量，它几乎把含氢丰富的全部外壳丢掉了。过去在它内部深处通过氢的核反应所生成的氦仍然留下，即现在为0。26个太阳质量恒星的内部是由氦组成的。在氦的外面有一个很厚的外壳，外壳内是含氢丰富的气体，密度很小。在质量损失结束时，这颗星已成为红巨星。这颗巨星的内部情况是无法观测到的，但我们可以通过计算来了解。这颗星的半径几乎为10个太阳半径。它的绝大部分体积属于氢外壳，被稀薄的气体充满。恒星物质的99％都是氦，并且被压缩在一个很小的，半径只有太阳半径的1/20的中心小球内。它就是红巨星中的白矮星。不过它还有一个很大的外壳！质量损失结束后，外壳的膨胀力也消耗
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完了，它将逐渐落到小氦球上，同时半径大大减小。从外部看越来越像白矮星。在赫罗图中它向左下方运动到白矮星所在的地方。■这中间伴星又怎么样了？通过原来质量较大的恒星的物质损失，使它得到了2…0。26=1。74个太阳质量。再次出现了主星和次星的地位发生交换的现象。现在质量较大的星（2。74个太阳质量）获得质量以后的时间比较短，没有较大的演变，但另一颗星已变成了白矮星。计算结果证实了，在同时诞生的一对恒星中，可以形成一颗白矮星和一颗质量较大的、没有演化的主序星。这种情况和人们在天狼星双星中所观测到的一样。佯谬和困难似乎已经得到解决。双星观测又进一步提供了一个证据，以说明恒星演化理论的基本概念大体上是正确的。如果观测天空中的许多不相接双星，可以发现它们的质量和距离的关系会使得它们在主星把氢耗尽时，将按照以上所描述的方式发生质量交换，最后产生一颗白矮星。但这绝不意味着，这里所描述的以产生一颗白矮星为结束的双星历史，就一定真实地描述了天狼星双星的历史。这个双星系统的某些特性仍然使人产生怀疑。我们知道，单星也可以通过星风或者是形成行星状星云的方式将外壳去掉而变成白矮星。也许天狼星双星从来就没有发生过质量交换。完全可能出现另一种情况，即质量较大的星自身将它的外壳推到空间中去，其中只有很微小的一部分落到伴星上，而大部分物质飞到宇宙中去了。这样也能够将佯谬解开，因为原来质量较大的星也是由于它的质量大而演化得快，它比现在看到的质量大的星演化得快。无论是哪一种情况，现在质量较小的星实际就是原来质量较大的星。在新星现象中，双星系统的质量交换也起到一定作用。早在古代人们就知道有强烈光度爆发的这类恒星存在，但一直到1954年以后我们才知道它们可能都是密近双星。1975年8月29日出现在天鹅座的新星谁在1975年8月29日一个星期五的晚上观看了天空，并且又大致认识一些重要的星座，那么他就会发现天鹅座不同往常，那里出现了一颗原来不属于它的星。位于东方的国家会更早地看到它，因为那里天黑得早，这颗星会更早地出现。当黄昏降临到欧洲时，在这里同样有很多人觉察到了这颗高挂在天空中的新星（见图9…7）。业余天文爱好者把他们的望远镜取出来，职业天文工作者在他们天文台中的观测圆顶内忙碌着。是不是从开普勒时代以来人们所期待的事情终于发生了？是不是终于在银河系内爆炸了一颗超新星？我们能不能亲眼看到像蟹状星云超新星情况一样诞生一颗中子星？
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■今天在天鹅座的这颗星已经是一个不显眼的微弱天体了，只能在望远镜中看到它。它并不是人们长期所期望的星，不是超新星，仅仅是一颗新星。当人们1909年第一次在仙女座星云中看到两颗星突然亮起来时，才注意到还有一类爆发强度小而且不会造成灾难性后果的新星现象存在。它们比起哈特维希14年前在那个星系中发现的超新星弱1000倍。今天我们知道，它们的能量爆发和在银河系中经常观测到的另一些突然发亮的星的情况相符合。1901年人们曾经在银河系内英仙座看到了一个特别美丽的现象。人们把新的突然发亮的星叫做新星。新星和超新星不同，它们要弱得多，因此也比较经常地出现。仅仅在仙女座星系内每年就可以看到20到30次突然发亮。很快人们从过去的天空照相底片上觉察到，在新星出现的地方过去都有一颗星在那里。新星突然发亮以后经过一些年又恢复原来的性质。就是说恒星只是发生一次强烈的亮度爆发，以后它又回到从前的状态。后来又经常在爆发新星的附近看到一个很小的、显然是在爆发时抛出来的并以很高速度向外膨胀的云。但和超新星的爆炸云不同，它只有很少的质量。恒星并没有爆炸，它只是损失了很少的，也许少于1‰的质量。1934年的新星原来在天空看不到的星，突然在1天之内强烈发亮，比原来亮1万倍。在以后的几个月内又不断变暗，经过几年以后就会看不见了。这些星都是什么类型的星？1934年12月在武仙座出现的新星是它们中很典型的一个。当时它比这个星座中所有其他的星都要亮。1935年4月它的亮度大大降低，后来它又再次稍微变亮一些，但一直低于我们肉眼能看到的极限。今天人们只能用中等望远镜才能看到它。从这个暗天体可以学到些什么？最主要的是，经过进一步研究后发现，爆发的新星是双星系统。这是美国人默尔·F·沃克（MerleF。Walker）1954年在利克天文台发现的。两颗星以4小时39分的周期相互围绕着运动。由于它们在周期运动中互相掩食，所以，我们可以知道关于它们更多的知识。两星中有一颗是质量为1个太阳质量的白矮星，另一颗质量较小的星是主序星。还有使人更惊奇的是，主序星正好充满了它的允许体积，从它的表面有物质流向白矮星。和大陵五型星类似，这里也是一个半相接双星，并且有气体由一颗星流到另一颗星。不过现在是物质流向白矮星。■
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我们还知道，物质并不是立即就冲到白矮星上去的。由于整个系统在转动，离心力阻止了这种运动，使流过来的气体物质先集中到一个围绕白矮星转动的环内。物质再从这个环慢慢地落到白矮星上（见图9…8）。我们不能直接看到环，但在系统转动时主序星慢慢地运动到环形盘的前面，并一步一步地将它掩食掉。这个掩食的现象表现为系统的总光度的减小，而总光度中又包括了环形盘的贡献。人们不仅研究了环的结构和大小，还知道来自主序星的物质和环相碰撞的地方温度特别高。环上有一个热斑，它出现在来自主序星的气流被阻止住的地方，因为在那里有一部分功能转变为热能。人们还发现，武仙座新星系统中白矮星的亮度是变化的，变化周期为70秒。仔细研究每一个爆后新星，人们总是发现它是一个双星系统，并且存在主序星向另一颗白矮星喷射物质的现象，还存在和新星是近亲的所谓矮新星。它们的爆发要弱得多，并且不是有规律地重复发生，但它们也是这种类型的双星。双星系统中的核爆炸是什么原因造成在这类双星系统中突然间有大量的能量释放出来，从而使得在很短时间内亮度增大1万倍呢？■正确回答这个问题的思想来源于马丁·史瓦西，现在在利克天文台工作的罗伯特·克拉夫特（RobertKraft），以及根据皮特罗、吉安诺内（PietroGiannone）（现在罗马天文台工作）和阿尔佛雷德、魏格特60年代在哥廷根所进行的计算。而理论则是由坦佩城的亚利桑那州立大学的萨姆纳·斯塔尔菲尔德（SumnerStarrfield）以及他的同事们继续完成的。白矮星的内部仍然很热，足以使氢发生燃烧。当白矮星在一个红巨星的中心区域形成时，那里所有的氢都早已变成了氦，甚至可能氦也变成了碳，所以在白矮星内部不再含有氢。如果有来自邻近的主序星的气体落到白矮星上，那么这些物质必然是含氢较丰富的，它们首先落到较冷的白矮星的表面上。那里的温度太低，不能使氢发生燃烧，于是在表面形成一个由含氢较丰富的物质所组成的覆盖层，并且将随着时间不断地变厚。同时，当覆盖层的底部接触到白矮星的原始物质时，就会使它变热。这样可以使温度一直升高到1000万度，然后发生氢燃烧，并且产生巨大的爆炸，将全部的氢覆盖层抛到宇宙中去。斯塔尔菲尔德和他的同事们能够利用计算机很好地计算出一颗白矮星表面的氢弹，并且似乎能够解释新星现象。这也能说明某些新星（甚至可能是所有的新星）的重复爆发。如1946年在北冕座看到一颗新星，它在1866年就曾经亮过一次。人们还观测到其他几颗爆发过3次和多次的新星（见图9…9），这和我们的概念很符合。
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在爆炸以后本身并没有发生变化的主序星，又继续给白矮星提供含氢丰富的物质，再次在白矮星的表面形成一个能强烈爆炸的覆盖层，并且当氢开始燃烧时再次爆炸。①直到今天还不能将1975年在天鹅座爆发的新星确认为双星系统。于是天体物理学家们想到，也许单个的白矮星可以将星际介质中的气体吸积到表面上而形成含氢丰富的覆盖层。不过这样的想法也许是错的，也许这个系统先要安静一下，然后才会显示出是双星系统，并且具有其他爆后新星所显示的相同性质。同时也可能有我们还不知道的原因。因为如果我们垂直于双星的轨道平面进行观测，那么既不能看到它们互相围绕运动产生的多普勒效应（见附录A），也不能通过两颗星的互相掩食而觉察出它们的双星本质。有物质从一颗星流向另一颗星的密近双星系统给我们带来了一系列新现象。大陵五型星的佯谬，以及像天狼星双星的年龄之谜已得到解决。双星给我们造成了新星现象，同时它也可能是造成当前使人激动的天体——X射线双星的原因。①有的天文学家认为已经探明1975年天鹅座新星也是双星，轨道周期为3。35小时——译者注。
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10。X射线星昨天晚上的物理学会——伦琴教授在一片欢呼声中向教授们和将军们作了关于X射线的研究报告……。精彩表演一个接着一个，射线穿透了利克建议把这一新发现称为“伦琴射线”（暴风雨般的掌声）。伦琴深为感谢。柯利克举杯向伦琴祝贺。48年以来这个学会还没有举行过像这样具有划时代意义的会议。出席会议的人当中还有许多学生和其他听众。1896年1月24日《弗兰肯人民报》这一章里所要讲述的恒星，它们发出的能量不是像太阳那样以肉眼可察的波长为主，我们的感觉器官对这些星体的辐射一无所察，直到1895它们，人们才知道这种辐射的存在。宇宙空间居然发出伦琴射线，或者称为X射线，这件事看来有点奇怪。到医疗部门进行体格检查时，人们会看到，需要具备何等复杂的技术装置才能产生这种射线。那么宇宙空间的X射线是怎么来的呢？从原理上来看，起作用的是同一种过程：医疗装置中由于高速电子突然受阻而产生这种射线。在自然界，当某种气球被加热到以百万度计的高温，它的电子就以高速运动。当某电子闯进附近某原子核的范围中，其运动在核电场中受阻或发生偏转，就产生和X射线管内同样的辐射。太阳周围的气体包层日冕的温度大约可达200万度。其中的快速电子和原子核发生碰撞，因此电子时而受阻，时而又加速。由此就产生了X射线，而日冕把X射线发向太空，人们利用卫星就能把它拍摄下来。可见，即使像我们的太阳这样一颗平凡的恒星，也能告诉我们，宇宙空间确能产生X射线。不过，太阳的能量只有无足轻重的一部分以X射线的形式发射出来，而X射线星则是天上的点源，其辐射的主要部分处在X射线波长区。虽然人们认识它们的年代还不长，可是，这些年来我们由此学到不少的知识，使它们成为激动人心的天体。乌呼鲁卫星的故事来自宇宙空间的X射线并不能穿透地球的大气，而是被最高层空气吸收掉了。因此，直到人们能把遥控望远镜用气球送上地球大气高层或者用火箭射入外空时，才诞生了X射线天文学。经过了以太阳为主，观测日冕X射线的早期观测阶段，人们随即又开始去探寻来自宇宙其他方向的X射线。这样就揭开了现代天体物理学的新篇章。
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当代科学，特别是实验科学，个人创建伟业的时代已结束了。学者们结成研究组，奔赴各地参加讨论会，既集思广益，又自我提炼雕琢，还要融合合作者的见解；这样，一篇论文发表出来，其中只见研究结果，读者很难了解到成果是如何取得的。关于X射线星的发现史，在这里要讲的只是从X射线天文学发展历程中挑选出来的若干事件，以及大批物理学家、天文学家和工程师中的某些代表人物，顺便要提及的还有一家公司。世界各地的民航机场，几乎都使用复杂装置产生弱X射线来检查旅客的行李。在北美洲这种设备的主要制造商是AS＆E公司，全名叫美国科学与工程研究公司。这家公司于1958年由马丁·安尼斯（MartinAnnis）创建，最初主要成员是一部分科研人员。该公司早年曾和美国最著名的工业大学之一，MIT即麻省理工学院紧密合作，从事核武器研制。首批X射线卫星的问世正是归功于AS＆E公司。意大利人里卡多·嘉可尼（RiccardoGiacconi）获得一份富尔布赖特（Fulbright）奖学金，于1956年来到美国。他以前从事物理研究，擅长宇宙射线测量。1954年他在米兰获博士学位，到美国后，他先在布卢明顿市印第安纳大学，后来又在普林斯顿从事同类工作。有位同事劝他去AS＆E公司试试，于是他结识了当时已有27人的这家公司的董事长马丁·安尼斯。1959年9月，嘉可尼开始了他在这家美国科学与工程公司的生涯。不久，安尼斯就把他介绍给布鲁诺·罗西（BrunoRossi）。物理学家罗西早在第二次世界大战前就移居美国，他最初在麻省理工学院任职，曾经和在芝加哥创建世界第一座核反应堆的大科学家恩里科·费米（EnricoFermi）进行合作研究，当时他除了在麻省理工学院兼职外，还担任美国科学与工程研究公司一个咨询组的主任。关于初次会见著名的罗西先生的情景，嘉可尼后来这样写道：“布鲁诺·罗西在他家里和我谈话时强调说，他认为，除了某些其他空间项目外，研究各种天体的X射线是特别值得抓的课题。虽然这方面是个空白，但他相信，对一个完全新的领域进行探索应该会取得成果。我马上去作调查，以了解这方面人们已经掌握的情况。结果只有赫伯特·弗里德曼（HerbertFriedmann）研究了太阳的X射线，别的宇宙X射线源一个也没有找到。”嘉可尼一面筹划可能的X射线接收设备，一面和别人商讨测量宇宙X射线的可行技术方法。1960年，美国国家航空航天管理局为第一架X射线望远镜开了绿灯。当时嘉可尼周围已经形成一个小组，在美国科学与工程公司从事空间试验研究。它在1961年发展到70人；1962年，19枚火箭与7颗卫星载着它的试验装置上了天，其中就有一台X射线接收机。试�
