黑洞-第9部分

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居室”都被粒子充满。
　　　　并不是任何种类的物质都能成为简并态。基本粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一是费米子，得名于意大利物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）二是玻色子，得名于印度物理学家萨迪恩德拉·玻色（SatyendraBose），他在这个问题上与爱因斯坦合作。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是基本粒子的一种与其角动量（粗略地讲就是半径与转动速度的乘积）相联系的内禀性质。鼻子力学所揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取一定的分离值，即一个被称为“正则普朗克常数”的基本常数h的整数或半整数倍。在日常生活中，自旋的分离值完全不可觉察，因为h是如此之小，宏观物体具有庞大的自旋。一只小孩玩的陀螺的自旅大到矿哈。因此，只有在原子尺度上自旋的不连续性才变得显著，其他量子化的物理量也是如此，例如能量。
　　　　赛米于与玻色子的不同在于，前者具有半整数目旋。而后者具有整数目旋门h，lh，Zh　等等）。原子的基本组分质子、中子和电子，都是自旋为＊h的费米子，光子是自旋为lh的玻色子。泡利得出了一条基本原理：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态（这条规则不适用于玻色子）。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米于群的可能性，让我们更进一步看看这是为什么。
　　　　在原子里，一个电子的量子态是由其能量（是电子轨道的函数）和自旋取向来确定的。自旅只能取两个方向之一，要么“朝上”，要么“朝产，这取决于自旋是与轨道同向还是反向。由泡刮不相容原理就可得出，一个能量已定的轨道至多只能被两个电子占据，它们的自旋方向相反。任何第三个电子在这个轨道上的存在是被自然界禁止的。
　　　　现在来考虑一个盒子里的电子气。一个电子的量子态由其能量、线动量（质量与速度的乘积）和自旋来确定。按照量干力学，能量和动量也是量子化的物理量，只能取分离的值。因此，如果电子气被压缩到越来越小的体积里，那么终将达到这样一个限度，即所有的能量和动量级都被具有所有可能自旋取向的电子所占据。这时不相容原理起作用，阻止电子气进一步变稠密。电子产生出一种巨大的内部“量子”压力，称为简并压，以反抗任何再缩小体积的企图。简并压的特征是与温度无关，不像通常的气体压强那样与气体温度成正比。
　　　　　白矮星揭秘
　　　　我处在压力下，然而我能承受。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——位世界网球明星
　　　　英国科学家拉尔夫·富勒（RalPh　Fowler）第一个把量子力学应用于天体物理。他在1925年提出，一个没有内部辐射压的恒星的引力收缩能够迫使所有电子占据所有可能的鼻子态，因而白矮星的收缩能被电子的简并压阻止。
　　　　紧随其后，威廉·安德森（William　Anderson）证明，当密度超过每立方厘米1吨时，电子的速度接近光速。这时的电子被称为相对论性的，其运动服从狭义相对论，而不再是伽利略力学。由量子力学知道，对一个给定密度，相对论性粒子产生的压力比慢粒子的要小。这正是白矮星不可能具有任意大质量的根本原因。
　　　　这个导致理论天体物理革命性变化的重大发现是由印度天体物理学家苏伯拉赫曼彦·钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）作出的。在1931年的一篇著名论文中，他证明白矮星有一个最大允许的质量，并计算出来是1．4Mde这个结果引起了一场激烈的争论。爱丁顿斥之为荒谬，因为它意味着那些质量远大于太阳的恒星的命运变得秘不可知（钱德拉塞卡也有许多关于那些超常恒星内部结构的重要论文。他后来还同样成功地解决了许多别的天体物理问题，并获得了1983年的诺贝尔奖），然而钱德拉塞卡是正确的。按照当今的计算，诞生时质量高到SM的恒星仍能形成质量为1．4M。的白矮星，因为那些星在其～生中以星风的形式丢失掉如此多的物质，以至于其质量减小到钱德拉塞卡限度以下。质量更大的恒星的命运将在后面介绍预言中子星和黑洞存在的理论时予以阐述。
　　　　　热的与冷的
　　　　白矮星，中等质量恒星演化的终点，在银河系中到处都能见到。估计它们目前占恒星总数的10％（即约100亿颗），而这个百分比只会随时间增大。
　　　　这一百亿颗白矮星中，只有几千颗已被记录在第。它们的光度非常低，只有那些最靠近我们的才能被探测到。寻找孤立自矮星的方法之一是研究自行很大，因而是距离较近的恒星，摄取它们的光谱以确定其颜色，再由它们在光度一颜色图（见附录1）上的位置就可以确凿地判定是白矮星或走低质量恒星。
　　　　让我们再进一步看看白矮星。它的质量越大（直到1．4Mk）的上限，半径就越小，因为引力有利于简并物质的收缩和压紧。在白矮星内，原子结构被破坏了，电子脱离了原子核的束缚，自由地在“简并海”中运动。尽管电子已极其密集，仍然有很多空间，原子核仍相互离得很远，与其本身大小相比，核的行为仍像空气中的分子。
　　　　白矮星的物理结构主要决定于电子海的情况，而热结构则决定于原子核的运动。由于简并电子是热的优良导体，整个白矮星内部就像一块炽热的金属。新形成的白矮星内部温度达到开氏1亿度，老的白矮星则降到几百万度。虽然温度如此之高，热能仍远小于电子的静质量能量。这表明温度对保持白矮星平衡的作用是微不足道的。事实上，尽管白矮星的温度比太阳还高，仍可正确地把它作为绝对零度来处理。
　　　　处在寒冷的星际空间，白矮星内部是由一个厚度为几公里的薄层来保护的，这个薄层是很不透明的、高度绝缘的，由温度低于10万度的非简并物质组成。这个温度虽比太阳表面高10倍，但由于发射面积很小，总光度也就很低，白矮星就成了很难在远距离上探测到的阴暗幽灵。
　　　　　结晶成黑矮星
　　　　由于没有热核反应来提供新能量，白矮星在发出辐射的同时，也以同样速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。起初，非简并的原子核像普通气体中的分子一样自由运动，它们的动能决定着温度。由于辐射，动能逐渐丢失，这样，一个关键时刻终将到来，那就是核的剩余动能已小于其静电能，核就会被囚禁在一个刚性结构里。运动逐渐慢下来，核组成为一种晶格，而简并电子继续在晶格中自由运动。年老的白矮星最终停止了辐射，变成一个比钻石还要硬的巨大晶体，这就是黑矮星。
　　　　白矮星的变暗过程是如此之慢，自70亿年前宇宙划生和第～批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需要极大的耐心。太阳现正处在其主序阶段的中点，还要经过50亿年才到行星状星云那样的“高龄”，它将再短暂地活跃10万年，然后成为一颗白矮星并在100亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星而永存。
　　　　　再度辉煌
　　　　像太阳这样的单个恒星是少数，银河系里的恒星多数都以双星方式存在。还有的是三颗、四颗或五颗由引力紧密地联系着。白矮星天狼B星有一个伙伴，但相隔太远，彼此没有什么影响。作为一个孤独的白矮星，天狼B星很可能注定要无可挽回地冷下去。但是，如果两颗星靠得足够近，白矮星的长期演化就会被改变。
　　　　导致改变的主要原因是两颗星之间的物质转移。白矮星的那个伴星，如果是很靠近，或者是在大膨胀状态（红巨星），其表层物质就会被白矮星的引力吸过去。一般说来，由于双星轨道运动的离心力，吸过来的物质不会直接落到白矮星表面，而是环绕白矮星形成一个大致扁平的结构，叫做吸积盘（图19）。从伴星继续到达的气体流对盘的撞击会导致很强的局部加热，形成热斑。热斑可以像恒星那样亮，从而成为白矮星存在的间接证据。在别的情况，尤其是如果白矮星是高度磁化的，盘不能形成，而气体沿着磁力线偏转并落向白矮星的两个磁极。气体到达白矮星表面时的撞击会产生快速变化着的光学、紫外甚至X射线辐射，白矮星就会闪烁不定地变亮，因而可以被看见，这样的双星系统被称为激变变星。
　　　　这样一种相对稳定的安排会被一个强烈而又突然的活动期所打断，其结果就表现为一颗新星。这个名称本来是指一类光度突然变大接着又缓慢暗淡下去的星。实际上，新星包含各种不同的类型，涉及很大范围的现象，但都与一个双星系统中的致密星有关。
　　　　新星的机制几乎可以肯定是一种表面热核爆发。气体连续不断地落到白矮星表面，并被引力场所压缩和加热。当物质积累到一定程度时，作为其主要成分的氢突然聚变，白矮星外层爆发。在几个星期的时间内，白矮星光辉夺目，以至于那些远在银河系边缘上的白矮星也能被观测到。
　　　　有些新星是再发的，就是在相隔几个月后重复爆发。其余的新星则只爆发一次，并释放出大得多的能量。迄今观察到的最明亮新星之一是天鹅座1975新星，它以太阳100万倍的光度照耀了三天。爆发强度与再发周期之间的这种关系证实了双星中物质转移的模型，因为释放的能量是对已积累在白矮星表面的物质总量的量度。
　　　　一颗“正常”星和一颗“致密”星之间物质转移的机制在许多高能天文现象中起着关键作用。第四篇里将更详细地叙述这～点，因为密近双星系统有时能提供黑洞存在的强有力证据，否则这些黑洞是完全不可见的。第六章　超新星
　　　　　核阶梯
　　　　自然界的元素不只是氢、氦、碳和氧，生命物质、木材、土壤和岩石中都含有一些硅、镁、硫、磷、铁和其他重原子，这些原子的核中都有20个以上的质子和中子。如果这些元素不能在太阳和大多数恒星里制造，它们又是来自何处呢？
　　　　仍然是来自恒星，不过只是很小一部分恒星，即质量最大的那些。只有在离开主序时质量超过SM的恒星才能制造重原子核。恒星中被外层重量压紧的核心就是“炼金炉”，原料就是氢和氦燃烧的“炉渣”，即碳和氧，冶炼过程在温度升到6亿开氏度时开始。
　　　　在这个温度上碳再也保不住了，相互猛撞并聚合成氛和镁，一条生产线就此建立，因为每个新的热核反应都释放更多的能量，使温度升得更高，从而使新的转变成为可能。在10亿度时，氖核夺得一个氦核而形成镁，在15亿度时氧也开始燃烧，产生一系列更重的元素：硫、硅和磷，在30亿度时硅燃烧，并引发几百种核反应，使炉子里的温度越来越高。在再往后的几千种反应的熊熊烈火中，更重也更珍贵的元素被制造出来。这是恒星生命的最后阶段，这些反应的突发性也越来越强，越重的元素燃烧的时间就越短。对于一个质量为25M的“模型”星，碳的燃烧持续600年，氛是1年，氧是6个月，而硅只有1天。
　　　　　巨型“洋葱头”
　　　　核转变并不能就以这种速率无限制地继续下去，反应的洪流最后都朝着～个元素汇集：铁。铁的原子核