柯南
埃及神話中的鳳凰每經(jīng)過500年就會把自己投入火中。在火中，鳳凰得以重生。
在宇宙中也有類似的事件——并且我敢保證，在你看這篇文章的時候，它們就在發(fā)生著。它們的命運(yùn)幾乎在出生的時候就已經(jīng)注定了：有的度過平凡的一生，經(jīng)過上百億年然后完全銷聲匿跡；有的會給宇宙留下鮮艷的“花環(huán)”；有的會帶來宇宙間最激烈、暴力的事件，在劇烈的爆炸中，它們灰飛煙滅；有的最終產(chǎn)生了宇宙之心，一個吞噬物質(zhì)的無底洞；有的卻注定從來不會成功，暗淡的無人知曉。它們死后，身體成為了新一代的一部分。
這就是宇宙間最平凡、最普遍的故事；一個——或者說無數(shù)個——正在發(fā)生的故事。我們的世界、我們的生活，甚至我們這個物種本身都與這個故事有關(guān)。故事的主角，叫做恒星。
恒星的搖籃
沒有一個人、沒有一個天文學(xué)家能親眼目睹一顆恒星的演化全過程——沒有人能夠那么長壽。但是，天空中遍布著數(shù)以十億計的恒星，它們有的是嬰兒、有的是青年、有的行將就木。通過觀察處于不同演化階段的恒星，我們完全能夠了解恒星一生的奧秘。
假如我們的壽命可以與恒星的壽命相比擬，或者，如果把恒星的一生壓縮到幾分鐘的時間內(nèi)，那么我們又會看到怎樣的一番景象呢？
不管恒星看起來多么明亮而不可一世，它們都誕生在朦朧、稀薄的星云中。星云是恒星的搖籃。因為某種原因，例如物質(zhì)分布得不均勻，或者外界的擾動，稀薄的氣體在引力的作用下慢慢聚集起來。起初，星云中每立方厘米可能只有數(shù)千個分子（地球表面附近每立方厘米的空氣分子是它的1019倍以上）。只要星云足夠大，它總能依靠萬有引力收縮起來。
M16 鷹狀星云的局部，一顆恒星正在形成。©NASA/HST
星云在收縮的過程中，引力勢能轉(zhuǎn)化成為了內(nèi)能，簡單的說，星云中的氣體變熱了。原先，星云的溫度可能只有10K（—263攝氏度）；現(xiàn)在，它的溫度可能高達(dá)數(shù)千度，顯現(xiàn)出鮮艷的色彩。在引力的不斷作用下，星云的某一區(qū)域變得越來越稠密，甚至可能分裂成好幾塊——每一塊都可能成為一顆恒星。大約經(jīng)過10萬年的時間，我們的太陽的前身——太陽的原恒星出現(xiàn)了。原恒星并不是真正的恒星，因為它們并不依靠核反應(yīng)發(fā)光發(fā)熱。使它們自身溫度不斷升高的源泉仍然來自收縮導(dǎo)致的引力勢能釋放。原恒星繼續(xù)收縮下去，直至核心溫度升高到1000萬度，這時，恒星的舞臺生涯才正式開始。
宇宙中有幸運(yùn)兒，也有倒霉蛋，這一點也不奇怪。質(zhì)量小于太陽質(zhì)量0.08倍的原恒星就不太走運(yùn)：他們永遠(yuǎn)也沒有登臺演出的機(jī)會，因為它們的質(zhì)量太小，不能引發(fā)核心的核聚變。當(dāng)收縮釋放出的能量耗盡的時候，它們也就銷聲匿跡了。天文學(xué)家把這類不走運(yùn)的天體稱作褐矮星。
在主星序的舞臺上
引力和壓力是恒星永遠(yuǎn)躲不開的兩個死對頭。引力把物質(zhì)聚集在了一起，引力讓恒星核心的核聚變得以發(fā)生。但是當(dāng)引力逐漸顯現(xiàn)它的威力的時候，恒星內(nèi)部的壓力也開始行動。壓力是核反應(yīng)產(chǎn)生的。你可以設(shè)想，加熱一個裝有空氣的鋼瓶，鋼瓶內(nèi)部的壓力就會上升，直至爆炸。當(dāng)引力和壓力剛好抗衡的時候，恒星就能保持穩(wěn)定，于是，它登上了主星序的舞臺。
“主星序”是所謂的赫—羅圖（恒星的絕對星等和溫度的關(guān)系圖）上的一個帶狀區(qū)域。處在這個區(qū)域的恒星就是主序星。主序星是恒星的“正常”階段，我們看到的大多數(shù)亮星都是主序星，包括我們的太陽。所謂“正常”是指它們的核心都在進(jìn)行著由氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)。
當(dāng)主序星核心的溫度超過1000萬度的時候，它主要進(jìn)行的是質(zhì)子—質(zhì)子反應(yīng)，反應(yīng)的最終結(jié)果是4個質(zhì)子結(jié)合形成了1個氦原子核，同時放出能量。如果溫度高于2000萬度，那么碳元素也會參與進(jìn)來幫助反應(yīng)，當(dāng)然，結(jié)果與前者相同。
恒星能夠穩(wěn)定存在要歸功于引力和壓力的對抗。壓力阻止引力把恒星進(jìn)一步縮小，引力阻止壓力把恒星炸的四分五裂。可以想象，假如恒星膨脹，那么核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量就會減少，壓力降低。這時，引力就會起作用，壓制這種膨脹，反之亦然。
恒星在主星序上存在的時間取決于它的質(zhì)量。不過，質(zhì)量和壽命的關(guān)系有點讓人出乎意料。質(zhì)量越大，恒星的壽命越短。例如，太陽能在主星序生存100億年，而質(zhì)量是太陽8倍的恒星卻只能在主星序生存2000萬年。恒星世界的暴發(fā)戶總是曇花一現(xiàn)。
主星序是恒星一生中最美好的階段，正如青年是我們?nèi)松凶蠲篮玫碾A段。但是恒星核心的氫總有消耗殆盡的一天。于是，恒星開始進(jìn)入悲壯的晚年。
質(zhì)量的抉擇
走完主星序旅程的恒星擁有一顆氦心，它會繼續(xù)吞噬外圍的氫，產(chǎn)生的熱量讓恒星的外殼膨脹。天文學(xué)家把它叫做紅巨星。當(dāng)太陽變成紅巨星的時候，將會膨脹到水星軌道直徑那么大。（毫無疑問，到時候水星將不復(fù)存在，而地球上的海洋也將被蒸發(fā)殆盡。）由于中心核反應(yīng)的減弱，恒星的核心收縮，這樣反而使核心溫度升高。當(dāng)溫度足夠高的時候，氦元素也開始聚變。像太陽這樣的恒星，紅巨星階段大約會經(jīng)過10億年。最終，紅巨星因為核燃料消耗殆盡而變成了白矮星，一種主要由氦和碳組成的致密天體，太陽形成的白矮星只有地球那么大。在從紅巨星到白矮星的過渡階段，恒星的外殼向外擴(kuò)散，形成所謂的行星狀星云——宇宙中最美麗的景象之一。白矮星慢慢冷卻，最終形成不發(fā)光、不發(fā)熱的黑矮星。恒星的一生就這樣結(jié)束了
Eyes on me:NGC 6751，“眼睛”星云，一個行星狀星云。©NASA/HST
不過，并不是所有的恒星都會這樣度過它的后半生。經(jīng)歷剛才這種情況的恒星質(zhì)量不能超過8個太陽質(zhì)量。而且，質(zhì)量小于0.4個太陽質(zhì)量的恒星的死亡過程更平靜，不會出現(xiàn)行星狀星云。
超過8個太陽質(zhì)量的恒星迅速的走完自己的青年時代，然后——如同前面的例子那樣——開始進(jìn)行氦核聚變。這種聚變會沿著元素周期表一直進(jìn)行下去，隨后還有氧和氖的聚變、鈣的聚變等等（是否有點古怪？）。恒星需要聚變維持壓力、抵抗引力產(chǎn)生的收縮。不過，越到最后這些核燃料就越不頂用。例如，一個8倍太陽質(zhì)量的恒星擁有的氖燃料可以“燃燒”一年，而硅燃料只能燃燒一天。不用擔(dān)心后面的故事，因為硅燃料是這種飲鴆止渴式的核反應(yīng)的盡頭：硅核聚變的產(chǎn)物是鐵。但是鐵核聚變不再是賺錢的買賣，因為鐵的核聚變需要吸收能量（鐵之后的元素都是這樣）。于是，恒星的核心再也不能依靠核聚變產(chǎn)生壓力。壓力敗下陣來，而引力大舉反攻。恒星猛烈的向核心坍塌（幾乎是自由落體）。把核心變成了一個中子球。正在下落的物質(zhì)與被核心反彈回的物質(zhì)相遇，整個恒星的外殼都被這種沖擊波炸飛。這就是超新星的爆發(fā)（嚴(yán)格的說，這是對II型超新星的描述）。
當(dāng)超新星爆發(fā)結(jié)束以后，爆炸中心出現(xiàn)了一個中子星，或者一個黑洞——宇宙間真正的無底洞。這種爆發(fā)也填補(bǔ)了元素周期表上鐵之后的空白——至少填充到了鈾元素。這種爆發(fā)是宇宙間最暴力的事件之一，不過，也是很罕見的事件。在我們的銀河系，每一百年也不會觀測到幾顆超新星爆發(fā)。如果你生于1987年之前，那么你就幸運(yùn)的經(jīng)歷了一次幾百年不遇的超新星爆發(fā)——超新星1987A。
重生的鳳凰
當(dāng)大爆炸發(fā)生之初，宇宙間只有氫、氦這樣的元素，至多還含有鋰。而元素周期表上的其他大多數(shù)元素都是由恒星產(chǎn)生的。當(dāng)恒星死亡時，這些重元素（天文學(xué)家的“重元素”是比氦的原子序數(shù)大的元素）就會擴(kuò)散到宇宙中，參與下一次的恒星演化。從這個意義上來說，它們就是宇宙的鳳凰。
如果你聽到這樣一種描述，會不會產(chǎn)生奇妙的感覺：我們——以及地球上的所有生命都要感謝已經(jīng)死去的恒星。正是它們制造了產(chǎn)生生命的必要元素，例如，我們是有機(jī)體，因此需要碳，給人體各部分輸送氧氣（這也是恒星制造的）需要鐵。骨骼需要鈣，我們還需要很多“稀有”的元素（相對宇宙間占絕大部分的氫和氦而言）。因此，一個年輕的宇宙不太可能產(chǎn)生生命——至少不可能產(chǎn)生像我們這樣的生命。我們離不開電腦，感謝恒星為我們制造了硅！有人視金銀為幸福的象征（盡管從自然角度講，金銀并無價值，我也懷疑它與幸福的因果關(guān)系），把它們制造成首飾或者餐具。然而你有沒有想到，你的金項鏈?zhǔn)呛芫靡郧俺滦莿×冶l(fā)的產(chǎn)物？
大約在50億年前，在一片稀薄、朦朧的星云中，因為某種因素——很可能是一次超新星爆發(fā)的擾動——物質(zhì)開始聚集起來。這顆恒星沒有伴星（其實這是少見的情況，宇宙間的恒星大多數(shù)是雙星或者聚星系統(tǒng)），但是在它的周圍慢慢聚集產(chǎn)生了行星——其中一些恒星是由注定要孕育生命的重元素組成的。這顆恒星，就是我們的太陽。
當(dāng)我們思考恒星命運(yùn)的時候，組成我們身體本身的物質(zhì)變來自于數(shù)十億年已經(jīng)死去的恒星。宇宙與我們有著這樣簡單而直接的聯(lián)系。盡管我們不能直接深入恒星的內(nèi)部觀察它的活動，理論和實驗都表明，我們這種活著的恒星物質(zhì)，能夠理解這宇宙中的鳳凰。
封面說明：本期封面的圖片是由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的蜘蛛星云（Tarantula Nebula）局部。畫面的左下角是天文學(xué)家所謂的“霍奇301”區(qū)域。在這個區(qū)域中曾有數(shù)顆超新星爆發(fā)，把星云撕扯成了細(xì)絲狀，而且還有三顆紅超巨星等待爆發(fā)，在蜘蛛星云的其他區(qū)域中，一些年輕的恒星正在形成。我們在同一個星云中目睹了恒星的出生和死亡，而不必等待數(shù)億年。
