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《千亿个太阳》解码千亿恒星的生命时钟
铛铛铃2025-09-14【科普】667人已围观
简介
今天为您解读的书是《千亿个太阳》。
太阳是一颗恒星，所谓千亿个太阳，就是千亿个恒星的意思。太阳是我们最熟悉的恒星，它离地球很近，天文学家们掌握了很多的观测数据。太阳如今已经45亿岁了，这是它的壮年时期，发光稳定，年富力强。
本书就以太阳为例，介绍了恒星如何走过它的生命周期。本书作者鲁道夫·基彭哈恩，是德国天文学家，曾经担任德国哥廷根大学天文学与天体物理学教授，后来还担任过马克思·普朗克学会天体物理研究所的所长。他有多部天文学方面的著作，比如《恒星的结构和演化》《来自宇宙边缘的光线》等。今天解读的这本《千亿个太阳》，是根据作者多年来的讲座内容整理而成的，没有专业著作那么艰深。作者撇开了复杂的天体物理公式，生动形象地介绍了恒星漫长的一生，从诞生到能源耗尽后的死亡。
在对这本书的解读中，我将先带你认识一下恒星的特点和状态，再看一看一颗恒星的一生是如何度过的。
恒星的特点是什么呢？它与其它星体有什么不同？有句话叫做“万物生长靠太阳”，地球上的生命靠太阳提供的能量生存，这就是太阳和地球的区别，也是恒星和行星的区别。恒星能够持续稳定地通过燃烧自身释放能量，这是恒星最大的特点。以太阳为例，太阳每秒钟辐射出来的总能量是十的23次方千瓦，但这其中仅有非常小的一部分被地球接收，大约是200万万亿千瓦。地球白天吸收太阳辐射的能量，晚上释放掉绝大部分，剩下的能量有一部分通过化学形式储存在植物中，也就是植物在光照下发生光合作用，将水和二氧化碳转化为有机物，人类和动物依靠储存在植物中的能量生存。我们现在使用的煤炭、石油等化石能源，则是源自埋藏于地下的植物能的转化。
那恒星的能量又从哪里来呢？这就源于恒星内部的核聚变。核聚变的原理是，质量比较轻的原子相互碰撞，形成质量比较重的原子。在聚变反应的过程中，会有一点点质量的损失，同时释放的能量却是巨大的。根据爱因斯坦的质能方程E = M × C²，损失掉的这一点质量乘上光速的平方，就是释放出来的能量。具体来说，一颗氢原子发生聚变反应，可以释放出6300亿焦耳的能量，这个数字相当于同重量煤炭燃烧释放出能量的2000万倍。
恒星的另一个特点是它是有寿命的。恒星是一个有限的物体，它不可能无止境地燃烧下去，它会经历出生、青壮年、老年和死亡这个过程。当恒星死亡之后，会以另一个状态存在于宇宙之中，而地球这一类的行星，在太阳衰老的过程中，就会被太阳吞没。这就是我接下来要向你介绍的恒星是如何度过它的一生的。
首先，我们怎么知道千亿个恒星到底是年轻还是苍老呢？一颗恒星的寿命长则几十亿上百亿年，短也有几百万年，人类想要跟踪观察一颗恒星从出生到死亡的全过程，显然是不可能的，就好像一只寿命只有30天左右的果蝇，想要跟踪观察人类的一生一样不可能。但是如果有一只巨大的照相机，让果蝇在某一个瞬间拍下所有的人类，那么它就能看到无数的小孩儿、青年人、中年人、老人，再将不同年龄段的人的特点拼凑在一起，果蝇就能了解人类一生的特点了。人类观察恒星也是相同的道理，我们可以将已知的恒星都罗列出来，将它们分门别类，去了解恒星在不同年龄段的特点，再拼凑出恒星的一生。
为了确定恒星的年龄，天文学家们将恒星的分类简化成两种可测量的指标，分别是恒星的表面温度和光度。如何测量恒星的温度呢？天文学领域有一种衡量温度的方法，叫做色温。当我们将一个物体加热到不同的温度时，它就会发出不同颜色的光，比如加热铁块时，随着温度的逐渐升高，铁块先变成红色，然后是黄色，最后会变成白色。所以反过来，人们可以用恒星的颜色来确定恒星表面的温度，温度越高，恒星的颜色由白至蓝，温度越低，恒星的颜色就越来越红。光度则代表着一颗恒星释放的总能量，表现在我们地球人眼中的，就是这颗星到底有多亮。星星的亮度还和它到地球的距离有关，远处的星星总要暗淡一些，所以测量出一颗恒星的亮度，以及它与地球的距离，就可以得出一颗恒星的光度。光度和质量有关，光度越大的恒星，它的质量也就越大。
有了表面温度和光度这两个指标，我们就可以对恒星进行分类了。你可以想象这样一个坐标系，水平X轴代表恒星的表面温度，越往右边延伸温度越低，竖直Y轴代表光度，越往上延伸光度越高，恒星的质量也越大。每一颗恒星都可以在这个坐标系中找到它自己的位置，这就是在天文学上最有用的关系——赫罗图。它是由丹麦人埃伊纳尔·赫茨普龙和美国人亨利·诺里斯·罗素两位天文学家独立提出来的，为了纪念他们的贡献，就取他们姓氏的首字母命名叫H-R图，也叫做赫罗图。我们在音频下方的笔记区展示了这张图。
当天文学家们将恒星排列在赫罗图上以后，规律就显现了出来，恒星们自然而然地分成了三个部分。90%的恒星规律地排成了一条从左上角平缓向右下角延伸的曲线，剩下的恒星有一部分在曲线的右上角，一部分在曲线的左下角。天文学家们将曲线上的恒星称为主序星，也就是正常恒星；右上角的恒星光度很大，质量也很大，但温度较低，颜色呈红色，因此叫做红巨星或者红超巨星；而左下角温度高但光度低、质量也小的恒星叫做白矮星。天文学家们发现，主序星就像人类的青壮年，还能发光发热几十亿年；红巨星或者红超巨星体积庞大，但能够持续发光发热的时间远小于主序星，像人类的中老年人；而白矮星体积很小，能发出的总热量已经很小了，像人类中风烛残年的老人。于是恒星的一生就借助赫罗图显示出来了。而人类比果蝇的高明之处在于，我们还可以通过计算机模拟恒星的一生，然后再和观测到的恒星比对，进一步印证恒星演化的特点。
下面，我将通过恒星的诞生、衰老和死亡三个阶段，来向你介绍恒星的一生。
先来看恒星是怎么诞生的。茫茫的星际空间看上去空荡荡的，但实际上其中充满了气体和尘埃物质。由于万有引力作用，气体和气体、尘埃和尘埃之间相互吸引，慢慢地聚拢到一起，就好像空荡荡的星际空间中突然出现了一粒碎屑，这粒碎屑不断吸引周围更多的气体和尘埃，就像滚雪球一样越来越大。这样滚雪球滚了几十万年以后，越来越多的气体和尘埃向中心靠拢，中心附近的气体密度逐渐增加，变得不透明了。原本中心区域物质高速运动和碰撞产生的能量，能够毫无阻碍地辐射到太空中，但是当中心附近气体不透明之后，这些能量就无法辐射出去了，中心区域的温度就变得越来越高。你可以想象成一个烤火炉，我们在上面盖上一床棉被，热度不能出来，里面就会越来越热。在温度升高的同时，中心集聚的物质也一直在发生变化。在宇宙初期，气体和尘埃物质主要由氢原子组成，也就是构成氢气的原子。在氢原子相互碰撞的过程中，氢原子和氢原子彼此结合，形成氢分子，中心区域温度还在持续升高，当达到2000度时，氢分子又分解成了一个又一个的氢原子。当中心温度进一步升高，达到1000万度时，氢原子之间开始发生聚变反应，四个氢原子核反应生成一个氦原子核。到了这个时候，一颗恒星就算正式诞生了。
为什么说氢聚变发生时，才是一颗恒星正式诞生呢？这是因为当恒星发生氢聚变之后，它不再需要靠吸引气体和尘埃产生能量，它自身就能稳定地、长时间地提供能量，也就是说它不再需要滚雪球了，它自己就已经是一个可以发光发热的庞然大物了。
恒星和坚硬的地球不一样，它从出生开始就是一个气体球，这是因为恒星内部的温度太高了，导致原子失去了外层的电子，原子核和电子都自由地在恒星内部飞行。这样一来就造成了两个结果：第一，失去了电子的原子占据的空间要小得多，所以恒星内部的密度非常高；第二，因为原子核和电子不能稳定下来，所以它仍然是气体。
恒星是一个气体球，它难道不会膨胀或者缩小吗？这就是恒星在诞生之后，直到它衰老之前一直在做的一件事——保持内部相对平衡，以保持自己的体积不会有变化。我们可以想象一个很重的活塞，从上面将一个箱子密封起来，由于重力作用和密封箱内气体压强的作用，活塞最终会处于一个平衡的状态，这就是恒星维持平衡的原理，恒星向内的引力和向外的气体压强基本相等。假如没有气体压强，那么恒星的所有物质都会向中心坍塌；假如没有引力，那么气体压强就会把全部物质抛散到空间中去。
好，这就是第一个问题，恒星是怎么出生的。星际空间的气体尘埃在引力的作用下，像滚雪球一样逐渐变大，当积聚的物质足够多，温度足够高的时候，中心发生氢聚变反应，恒星就正式诞生了。
在恒星出生之后，从赫罗图来看，它一直稳定地待在主序带上。以太阳为例，早在35亿年前，太阳就像现在一样释放能量，而在未来的40亿年，它仍然将待在主序带上，和现在不会有太大的区别。至于每颗恒星在主序带上存在多久，这和它的质量有关，质量越大，生命周期就越短。如果当恒星离开主序带，那就意味着它开始衰老了。它是怎么衰老的呢？
当核中心的氢原子被烧完时，就是恒星步入衰老期的标志。天文学家模拟了太阳的衰老过程，我们先来看看太阳是怎么衰老的。刚刚我们提到，恒星是靠中心的氢原子发生聚变，形成氦原子释放能量，这个过程我们可以形象地称之为氢原子被烧掉了。当太阳的核中心的氢全部被烧掉的时候，它会形成一个全是氦原子的核，而恒星的外壳仍然富含氢原子。这个时候氦核还没有开始燃烧，因为氦发生聚变需要的温度要更高，但是在氦球的表面，也就是氦与氢两种物质交界的地方，还在继续发生着聚变反应，氢燃烧产生的氦不断并入到氦球中，氦球的质量在不断增大，氦球的质量增大，引力更强，导致氦核不断向内收缩。为了平衡氦核产生的引力，太阳的外壳不断向外膨胀，膨胀的外壳让太阳的温度降低，太阳的颜色自然就变了，变成了红色。这时候的太阳就变成了红巨星，它在赫罗图上的位置就会脱离主序带，移动到右上角。
天文学家推测，太阳变成红巨星的时间大概是在它出生后的130亿年，衰老的太阳将是现在太阳的100倍大，光度是现在太阳的2000倍，表面温度明显降低，只有4000度，比今天的太阳低1800度。那到时候的地球会怎么样呢？当太阳的体积变大时，它与地球的距离也同时被拉近，地球无法承受太阳巨大的能量，地球上的海洋慢慢被蒸发掉，地球上的铅也全部融化，变成了一个大火炉，再也没有生物可以生存。
不同质量的恒星走向衰老的时间不同，总的来说，质量越大的恒星，将会更早地迎来衰老期。比如夜空中最亮的星天狼星，它的质量是太阳的两倍，但它大约只需要12.5亿年，就会告别它的青壮年期。质量为太阳十倍的参宿四，是日本人眼中的珍珠星，它位于主序带的上方，但它的青壮年期只有可能1000万年左右。质量越大的恒星，它们的衰老过程比太阳要更加复杂。超过两倍太阳质量的恒星，它们核心区域变成氦球之后，不断收缩的氦核温度持续升高，温度可以达到1亿度，达到了氦核聚变的温度，氦核聚变成碳，和恒星内部的氦球就变成了一个碳球，恒星的物质也变得更加复杂，最外层是最原始以氢为主的混合物，在它的下面是一个氦层，氦层内部还埋着一个碳球。
在衰老的过程中，大质量的恒星还会发生周期性的脉动。所谓脉动，就是说恒星好像变成了一个气球，会自己膨胀收缩，这又是怎么回事呢？这其实和恒星的外部壳层有很大的关系。仍然以处于平衡状态的箱体活塞为例，当我们使劲压活塞，活塞会向下移动，与此同时，密封箱内的气体压强也会变大，迫使活塞又向上移动。我们假设没有摩擦力的作用，气体被活塞压缩时，所得到的能量又在膨胀时还给活塞，循环往复，活塞可以一直围绕中间位置上下震动。恒星脉动的原理和箱体活塞振动的原理差不多，当恒星受引力作用向内压缩时，气体压强增大，向外膨胀，但是压缩产生的热量不能很好地穿过恒星的外层，这就相当于气体压强比维持平衡的状态还要更大一些，于是在气体压强的作用下，恒星的外部壳层膨胀得更厉害。当外部壳层膨胀到最大程度时，物质又变得透明起来了，它能比正常的情况透过更多的辐射，气体压强减小，引力又占了上风，外部壳层向内收缩，如此循环往复，而在我们观察者眼中，膨胀收缩的恒星就会一闪一闪的，形成一个光度变化的周期。
这就是第二个问题，恒星是怎么衰老的。恒星的衰老从核心的氢烧完开始，恒星衰老后体积变大，温度降低，成为一颗红巨星，质量更大的恒星还会继续演变，核心区域的氢烧完后，会继续进行氦聚变，形成一个碳球，发生周期性的脉动。总之，质量越大的恒星衰老得越快，过程也更复杂。
衰老以后，恒星是如何走向生命的终点呢？前面我们介绍了不同质量的恒星衰老的方式略有差别，当恒星走向死亡时，不同质量的恒星也会有不同的结局。
先来看太阳的死亡方式。我们刚刚说到，太阳在中老年期会变成一颗红巨星，当太阳走向死亡时，太阳外壳的相当一部分会被抛到星际空间中去，太阳的内核最终变成一颗白矮星，再也没有足够的温度进行核聚变来发光发热。
那些质量在1.4个太阳和十个太阳之间的恒星，它的核心聚变成了一颗碳核，它的结局可能有两种情况。第一种情况是碳核的温度在持续上升，试图达到让碳发生聚变的温度，但是高温会促使核心中带电的粒子结合为不带电的粒子，使恒星内部冷却，这样一来，碳的燃烧就被阻止了，当最后终于开始发生碳聚变时，长期被延缓的反应以爆炸的形式发生，整颗恒星破碎，从而结束了生命。但也有可能发生第二种情况，在碳核阶段，碳的密度已经非常高了，碳核演变成了一颗白矮星，它不再进行核聚变，但是外部壳层还在不断燃烧，聚变将质量传递给白矮星，密度越高，引力越大，最后巨大的引力释放出巨大的能量，把恒星的外壳物质以巨大的速度抛向星际空间，形成爆炸。天文学家将这种现象称为超新星爆炸，超新星爆炸形成的亮度会在几天内增加几千万倍。在1054年左右，中国和日本都记载了一颗很亮的星星，人们在白天都能看到它，天文学家推测，那就是超新星爆炸现象。而恒星内部剩下的白矮星在一分钟之内就形成了，密度仅次于黑洞的星体，叫做中子星。
至于那些大于十倍太阳质量的恒星，它们走向终点的方式叫做铁心灾变。在恒星内部变成碳球后，碳球还会继续演变，一切将变得更加复杂。碳核发生聚变后，可能变成镁、氧、氖、钠等不同类型的原子，不过这样的巨变最后会在变成铁原子后停止，这是大自然设定的一个规律，因为如果人们要去聚合铁原子核，不会产生能量，而是会耗费能量。所以大质量的恒星中心区最终会演变成一个气态铁组成的球体，铁原子核会捕捉气体中来回飞驰的电子，而电子是形成气体压力的主要因素，当电子被捕获并且消失在原子核中以后，引力占据了上风，铁球会不断向内部收缩，直到所有的质子都和电子合并成了中子，恒星内部就变成了中子物质，恒星变成了中子星。这个过程非常快，恒星外部物质承受不了巨大的能量，也会出现超新星爆炸现象，最终演化为一颗中子星。
如果一颗恒星到临近死亡时，剩下的物质的质量还是太多，既不能形成白矮星，也不能达到平衡态形成中子星，那么它们就会受内部引力的作用，不断向内坍塌，最终变成了一个黑洞，那是一种连光线都无法逃脱的天体。
总的来说，不管恒星最终是变成中子星、白矮星或者黑洞，它们都是一种密度非常高的天体，这些物质将永恒地停留在星际空间中，这就是几乎所有的恒星冰冷而乏味的未来。不过，恒星那巨大的外壳又都会回到星际空间之中，为新一代恒星的诞生做好物质基础。
第三个问题，恒星是如何死亡的，也介绍完了。不同质量的恒星有不同的结局，太阳死亡时，外部物质会被吹散到星际空间中，内部核心则形成一颗白矮星；对于质量介于1.4倍太阳到十倍太阳之间的恒星，结局有两种，它们的核心会变成一颗碳球，最终要么碳球爆炸，要么碳球演变成一颗中子星；而大于十倍太阳质量的恒星，则有可能发生铁心灾变，核心在形成碳球后继续发生巨变，直到最后成为一颗铁球，最终铁球坍缩成一颗中子星，外壳物质爆炸回到星际空间。
以上就是《千亿个太阳》这本书的主要内容。本书成书于1980年，40年过去了，天文学家关于恒星的探索从未停止，人类向海王星、冥王星发射了探测器，并且首次通过开普勒天文望远镜直接拍到了超新星爆炸的完整过程。在不断的观察和推演中，也基本确定了天文学家们对于恒星一生经历轮廓的推演是正确的。
了解了恒星的知识，我们能发现地球是多么的幸运，它和太阳保持着恰当的距离，让海洋里的水既不会结冰，也不会蒸发干涸，生命由此诞生。太阳又有着刚刚好的年纪，足以让地球上最初的单细胞生物在几十亿年间慢慢进化成人类。在千亿颗恒星之中，或许有几颗恒星有着它们自己的地球，这也让我们相信，在地球以外，宇宙中还存在着其它的智慧生命。恒星诞生于尘埃之中，又回到尘埃中去，在生命的千亿年之中，在原子的熊熊燃烧之中，孕育了无数的生命。当你再次仰望浩瀚而神秘的星空时，是否对它们有更亲切的认识和更深的敬畏呢？
好，《千亿个太阳》这本书就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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