千亿个太阳 作者:[德]鲁道夫·基彭哈恩-第20章
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此松开。所以说，正像火焰是气体分子发生化学反应的地方那样，旋臂是恒星相互挨紧的场所。旋臂中单位体积内的恒星数量比圆盘中其他处要多。这一点在图12…6中看得很清楚，而在真实的星系中这类稠密区却小得很难观测出来。幸而，和恒星一样参与星系自转的星际物质在穿经旋臂时密度也增高了！这样的密度升高也就为恒星的诞生创造了所需的条件。所以旋臂成了恒星产生的所在，新生恒星中的大质量强光度蓝星则激发近处的气体使之放光。使旋臂成为触目壮观的不是密集紧挨的群星，却是发射强光的氢云。我们已经结识了猎犬星座中的那个星系，图0…4是它的照片。我们还要通过它进一步了解恒星在旋臂中形成的情况。我们遥遥望见这个星系夹在我们生活的这个星系的一批近星之间发着微弱的光。它的光线要跋涉1200万年才能进入我们的望远镜。因为我们可以说是从上往下观望这一星系，也就是视线方向垂直于它的圆盘面，所以看到的旋臂分外动人。猎犬座星系中恒星的诞生从这个星系传来了射电辐射。可能是在以前的超新星爆发中获得巨大速度的电子，在运动中流过这星系而发出无线电波。人们用高灵敏度射电望远镜不仅能接收到这种信号，甚至还能区分这个星系哪些部位发出射电辐射较强，哪些部位较弱。1971年，射电天文学家唐纳德·马修森（DonaldMathewson），皮特·范·德·克鲁特（PietvanderKruit）和维姆·布罗弗（WimBrouw）在荷兰制成了一幅这个星系的“射电图”（见图12…7），其中用亮度表示射电强度，愈亮之处射电辐射愈强。尽管用这种射电望远镜不及用光学望远镜看得那么清楚，旋臂结构还是不难认出来。所以旋臂不仅在可见光区放着光彩，而且还发出射电辐射。电子在同一星系中不同部位处发出的射电辐射强度不同，这是为什么？其原因和这种辐射的产生机理有关，这里就不作论述，我们只要知道凡是星际气体密度较高之处产生的射电辐射也较强就行了。如此说来，猎犬座星系的射电图像也证明，旋臂中不仅恒星密集在一起，而且星际气体的密度也较高。不过猎犬座星系告诉我们的信息还不止于此。仔细对比可以看出，射电辐射最强的所在并不完全和可见旋臂相重合（见图12…8），星际气体最大密度区位于曲曲弯弯旋臂的偏内侧。这反映什么呢？整个星系在自转，它的组成物质在运动中穿旋臂而过，恒星偕同星际物质在这样的过程中都是由弯曲旋臂的内侧进去，再从外侧出来。可见旋臂来源于新生恒星，射电旋臂则反映星际气体浓缩的所在，把两者加以对比可以推出下面的情景。这个星系中的恒星和星际物质一起运转（见图12…9），逼近一处旋臂
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区域。随即这些恒星相互挤紧，气体密度增加，创造了新生恒星的条件。局部云团出现并发生坍缩，一批原恒星诞生了。稍后，那批恒星和星际物质便又漂移出形成射电旋臂的密度较高区。很快，一切似乎又恢复如前。但是，并不尽然，已经开始坍缩的云团继续坍缩，由气体密度一时的增长所引起的造星过程进一步发展。再过了些时候，原恒星演变成一批大质量新生恒星。这些蓝色强光度恒星的辐射激发附近的星际气体使之发光，新生恒星造成了可见旋臂。■概括起来，首先是星系物质穿越密度较大的旋臂，引起产星过程；然后是首批新生恒星使可见臂亮了起来。因为猎犬座星系中恒星与气体的运动速度已知，密度臂与可见臂之间的距离又能测出来，所以我们能计算出从星际气体紧缩到首批新生恒星出现需要多长时间：结果是约为600万年。在这段时间的最后50万年中，各个分立云团里发生着像拉森的计算所得出的那种变化；而从这段时间的开头直到星际物质演变成拉森用作计算起始点的云团，则需要550万年。大质量恒星绕星系中心运行还远没有转完一圈，它们的寿命就到头了。这些星把它们的大部分物质送回了星际气体，演变成了白矮星，或是爆发为超新星了。由于核反应而富含重元素的恒星物质返回星际气体后，当它穿过旋臂时就成为孕育下一代恒星的原料。不能参与这种循环变化的，是恒星生命终了时以白矮星或中子星这类致密天体的形成所残留下来的物质。从前，在银晕恒星已经出现后很久的某个时候，现在构成太阳的物质也曾作为星际气体的一部分在运动中穿越一处旋臂而使许多恒星诞生。其中质量较大的太阳同庚星早已熄灭，像太阳那样质量较小的许多同庚星则已经被银河系的不均匀自转甩开而失散在各方。
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13。行星和它们的居民月亮上是否有人居住，天文学家了解这个问题的确切程度可以说就像他知道谁是自己的父亲一样，而并不像他了解他的母亲一向是何许人那样。格奥尔格·克里斯托夫·利希滕贝格（GeorgChristophLichtenberg，1742—1799）由于角动量因素，恒星的诞生还是和上一章所讲的有所不同。群星和星际物质都在绕银河系中心运动。可是各个分立云团同时也都在绕它们自己的中心转动，这种自转运动不仅持久不衰，并且在星际气体云团和尘埃云团紧缩以形成恒星时反而会加强。这个因素的影响是深远的。紧缩造成自转变快，离心力增大。后者使云团赤道区的引力减弱，使紧缩着的云团形状变扁，到后来只能形成一个旋转圆盘（参见图13－1）而并不会像拉森的计算那样变为一颗完美的球状原恒星。和前一章我们所了解的过程相比，看来一切都变了样。我们的行星系证明，原始物质的自转运动在太阳形成过程中起了重要作用。行星都沿着同一方向围绕太阳公转，它们的轨道几乎都位于同一平面内，就好像它们确实起源于一个扁盘中并且还在反映其自转那样。还有另一个启示是，作为中心天体的太阳虽然几乎集中了太阳系的全部质量（行星只分到总质量的13‰），但是简直没有什么角动量。太阳系的角动量包含在行星的公转运动中。看来就好像坍缩星际云中的物质真会巧安排，它重新分配了阻碍它形成恒星的角动量。初始物质中一小点质量几乎抓走了全部角动量，构成了一批行星，使得几乎失去了所有角动量的绝大部分质量能形成一个拉森式的中心星体。用计算机求解行星起源问题法国数学家拉普拉斯（Laplace）和德国哲学家伊马努埃尔·康德早就猜想过，认为太阳和行星是由一个自转着的原始星云形成的。当前，人们已经试图用电子计算机来搞清这种演变过程。下面要讲的内容根据加利福尼亚天体物理学家彼得·博登海默（PeterBodenheimer）与维尔讷·恰努特共同研究所得到的结果。本来他们想要解释的是太阳和行星的起源，但是计算结果完全是另一回事。当人们勇敢地试图解答更难一步的问题时，才体会到用计算机模拟球对称过程是多么容易。在球对称的情况下，任何时刻一切东西只决定于离
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中心的距离。拉森模型中如果有一个质点在某一时刻受到加热，那么距离中心和它一样远的，也就是和它处在同一球面上的所有物质同时受到加热。如果这种物质没有自转，球对称就是良好的近似，因为包含在坍缩过程中的每个质点不管来自什么方向都经受同样的作用力。有了自转，对称性就受到干扰。从两极方向飞来的质点受力与来自赤道方向的质点不同。如果球对称不存在了。这样人们就面临极端复杂的情况了吗？不是的，某种程度的对称性依然存在。例如在赤道平面内，许多质点在轨道运动中向中心点移近时尽管来自四面八方，但这些质点受力的大小和它们的轨道偏向何方无关。这种情况称为轴对称过程。虽然这还不算最坏的局面，用计算机求解轴对称问题仍是一大难题。虽说如此，人们还是有办法。博登海默和恰努特用计算机对一团自转坍缩云的演变进行了探索（见图13－2）。开始阶段的情况和拉森模型一样：云团坍缩，中心出现一个浓密区。但是随着云团进一步紧缩，离心力的作用愈来愈明显，云团愈来愈扁，终于成为一个扁盘。只有自转轴附近的物质继续向中心下落，赤道面的气体向中心移近的速度则非常缓慢，乃至完全停滞。得到的结果不是一个核心而是一个圆盘，下落的物质不是来自四面八方而只是沿着轴向进入。厚度只有赤道半径1/8的这个圆盘所占的空间范围很广，约为最远行星即冥王星轨道半径的120倍。它绕中心轴自转一周大约需要30万年。这样的结果并没有完全符合人们的期望。本来的意愿是想要在内心区产生一个原始太阳，在这个太阳的周围又最好来上一个圆盘，后者天长日久便会孵育出众行星。可是，博登海默…恰努特圆盘并没有中心太阳之类的天体，物质最密集之处却在中心往外17倍冥王星轨道半径的周围空间形成了一个环状体。出了一个环，而不是一个中心天体！从侧面看这个环像图13…2下方小图的情景，从正面看它时像图13…3上方小图的样子。事后看来，这样的结果也并不奇怪。这种模型中为什么物质没有流聚在中心区，却要堆积在一个环状体内呢？原来是离心力阻碍了物质聚向中心，是物质的角动量在作怪。前面我们就已经讲过这样的体会，大自然在太阳系的形成中把物质和角动量彼此分了家，以致到如今物质聚于太阳而角动量归于行星。博登海默和恰努特在计算中假定每克物质所具有的角动量始终保持不变，其实角动量有点像热通过物体传导那样，也会透过物质而转移，他们二人如果计入这一因素，不妨重新演算一番。但是这样做要碰到的一个难题是，尽管我们知道把角动量从圆盘某处输送到别处的作用过程有好些种，可是，并不清楚哪一种是起决定性的作用。磁场固然可能消除部分圆盘的角动量，使物质得以在中心区聚成一团，但是湍流运动连同摩擦过程好像也能做到这样。即使到现在，人们对液体和气体的湍流运动也还认识肤浅。这种现象又是我们非常熟悉的。从高压龙头流出来的水柱不是均匀地外流，而是千
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姿百态，变幻莫测。山涧流水是不规则湍流运动的又一个实例。湍流运动在产生恒星的自转物质盘的研究中起重要作用，这点冯·魏茨泽克早在二次大战的时期就认识到了。40年代后期到50年代初期曾经有一个年轻物理学家小组在哥廷根和他一起研讨这个问题。其中有一位学者所写的博士论文的主题正是自转气体盘中角动量的迁移。他叫雷马·吕斯特（ReimarLüst），就是现任马克斯·普朗克学会主席。恰努特在1979年用计算机得出，圆盘中的角动量由于物质的湍流运动而重新分布，会出现一个中心核乃至一颗中央星。可惜人们对于自转与湍流兼而有之的气体盘的特性了解得太少，还不能从理论上定量地算出质量与角动量究竟是怎样分的家。这个问题我们暂且讲到这里。天体物理学家必须先掌握角动量如何穿越物质而迁移的作用过程，才能继续前进。不过，好像不光是天体物理学家对如何处理自转圆盘的角动量问题弄不确切，就是大自然本身也似乎未必在这点上事事清楚。双星的起源上面所讲的计算得出了一个环状体，这使我们研究所的一个研究小组人人心中不安：如果碰巧自然界对于应如何重新分配角动量所具有的智慧正好贫乏得和博登海默与恰努特一个样，将会发生什么呢？如果真的产生了那样的环状体，又会有什么样的后果？我们没有在自然界找到启示。我们在宇宙中只观测到恒星，并没有见到绕着空无所有的中心自转的物质环。那么这种环状体究竟发生了什么变化呢？如果再去用计算机探究这种演变，就会遇到一种新的严重困难。原来还是轴对称的环，这时，连这一特性也不存在了。用计算机探明这种演变不仅要求计算储存量很大，而且必须研究出一套新的复杂计算方法来。幸运的是1977到1978年维尔讷·恰努特（WernerTscharnuter）、卡尔…海因茨·温克勒尔（Karl－HeinzWinkler）和哈罗德·约克（HaroldYorke）正巧都在我们研究所。年轻的波兰天体物理学家米夏尔·罗席契计算程序，算出了博登海默…恰努特环状体的演变结果。图13…3清楚地介绍了他们的结果。在1万年内，环的两对侧会各自形成一处较稠区，并且愈来愈密，5万年后成为两团相互绕着运转的星际云，再往后就能演变为两颗恒星。计算机为我们表演了一对双星的诞生！这也许反映了自然界的两种可能性。一种情况下角动量保留在物质内，经历环结构阶段而形成双星。另一种情况下质量与角动量会相互分家，产生出只占少许角动量的中央星，沿着各自轨道围绕中央星公转的则是质量小而角动量大的行星群。如果真是这样，我们只能认为所有的单星周围都有行星在绕着它们运转。
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人类孤独吗尽管我们还没有完全了解星际云究竟是怎样演变成行星系的，但是原始物质的角动量对于行星的起源乃至人类本身的存在起了关键的作用，这点是没有疑问的。这样看来，好像一切单星周围都会有微小的行星绕着转，只因离地球遥远而没有被我们探察到。既然太阳周围拥有行星可能不是独一无二的现象，那么我们作为行星上存在的居民难道会是唯一的情况吗？也许银河系中充满了行星，行星上居住着进化阶段相仿，或较为初级，或较为高级的各种生物。在银河系中我们是孤门独户呢？还是另有等待着我们去联络交往的别的文明社会呢？奥兹玛计划和阿雷西沃信息1960年5月，美国绿岸射电天文台的学者把一架射电望远镜指向天仓五（鲸鱼座τ星）。有没有从这颗星方向发来的波长为21厘米的射电辐射，是这些美国天文学家探查的目的。用同样的办法试图收听的对象还有恒星天苑四，也就是波江座ε。这两颗星是怎样被选上的呢？它们离我们比较近，但并不是最近的星。一颗星的光需要11年，另一颗星则需要12年才能传到地球。这两颗星不仅温度、光度和质量与太阳十分类似，而且年龄也和太阳不相上下。既然我们所在的太阳周围有一批行星绕着转，其中一颗上载有能造出无线电发射机的技术文明，难道那两个太阳就不该伴有具备技术文明的行星吗？假如那里真的有生物，他们的技术发展水平和我们一样，那么我们能不能接收到他们发射的信号呢？我们自己早就向宇宙空间发射电波了。1945年刚过，人们成功地把雷达脉冲发往月球并收到了回波。登上月亮的宇宙航行员和远征�
