摘要 浩瀚的星空，既燦爛又深邃，寧靜中蘊含神秘。人們看到的絕大多數星星都是恆星，它們燃燒自身，點亮夜空的美麗。太陽是離我們最近的一顆恆星，是地球上生物的主要能量來源。文章將主要介紹恆星物理的研究方法和主要研究成果，還將介紹如何通過恆星認識宇宙，並試圖回答人類在宇宙中是否孤獨的問題。
關鍵詞 天體物理，恆星物理，雙星，核素合成，系外行星
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恆星的元素構成和能量來源
夫琅禾費(Joseph von Fraunhofer)是一個玻璃匠的兒子，從小與玻璃結緣，長大後又在一個十分重視玻璃製作工藝的修道院接受訓練。夫琅禾費1814年發明了分光儀。光先通過一個狹縫，再由準直鏡變為平行光，打到稜鏡上，稜鏡使不同波長的光發生不同程度的偏折。夫琅禾費利用分光儀得到了太陽的光譜，並在太陽光譜中發現了574條黑線，被稱為夫琅禾費線(圖1)。基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)在1859年證明這些黑線是太陽光譜中的原子吸收譜線，從而人們可以通過光譜知道太陽包含哪些元素，並可進行相關物理分析，這開啟了天體物理學的時代。
圖1 夫琅禾費1814年發明了分光儀(a)，發現了太陽光譜中的574條黑線(b)(修改自https://en.wikipedia.org)
萬物生長靠太陽，太陽的能量從哪裡來一直困惑著科學家們。湯姆孫(Kelvin勛爵，William Thomson)是一位英國物理學家，他在19世紀提出了熱力學第二定律，即熵增加原理，絕對溫度的單位K就是以Kelvin命名的。他研究了太陽的內部結構和熱力學過程。亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)是一位德國物理學家，他在19世紀提出了能量守恆定律，研究了太陽的熱力學性質和能量傳輸機制。這兩位科學家認為，太陽本身引力收縮釋放引力能是太陽能量的來源。但據此估算的太陽年齡只有地球年齡的百分之一。
20世紀初，相對論與量子力學誕生了。當人們對這兩個劃時代的理論充滿疑惑時，愛丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)通過日全食觀測，發現光線如相對論預言的那樣彎曲，讓人們相信相對論是正確的，從而把愛因斯坦推上神壇。量子力學初期的量子概念一開始並不被認可，但一批年輕的物理學家不受成見的束縛，八仙過海，各顯神通，發展出了全新的量子理論，在原子、電子、光子等微觀粒子領域獲得巨大成功。根據相對論的質能關係，當4個氫原子聚變為1個氦原子時，總質量變小，因而會有能量釋放。但這種聚變需要克服原子核之間的勢壘，而量子力學的隧道效應為之提供了可能。愛丁頓因此提出了新的太陽能量來源機制。首先星雲坍縮成太陽，釋放引力能，太陽中心溫度升高，這和湯姆孫與亥姆霍茲的學說是一致的。當溫度足夠高時，隧道效應變強，氫聚變成氦，釋放能量。太陽內部的氣體壓與輻射壓阻止太陽的進一步坍縮，太陽因而達到一個平衡態。這樣氫氦聚變理論解答了太陽年齡之謎。愛丁頓建立了恆星內部物質運動和能量傳輸的模型，給出了恆星的質量—光度關係，該關係與觀測吻合，從而奠定了恆星結構與演化理論。
隧道效應使氫聚變成氦成為可能，但氫聚變成氦的具體物理過程並不清楚。二戰期間，曼哈頓工程洛斯阿拉莫斯實驗室理論物理部主任貝特(Hans Bethe)的主要任務就是研究核裂變和核聚變。在一次火車旅途中他突發靈感，提出了「碳氮氧循環」的熱核反應，碳、氮、氧在核反應中起催化劑的作用，將4個氫核聚變成1個氦核，並釋放出正電子、中微子和能量。然而該反應需要較高的溫度，在太陽中並不佔主導。後來他又提出了質子—質子鏈反應，將氫核聚變成氦核。質子—質子鏈反應是太陽或更小質量恆星產生能量的主要過程(圖2)。貝特因此獲得了1967年諾貝爾物理學獎。
圖2 貝特給出的太陽內部氫核聚變成氦核的熱核反應過程
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恆星的結構和演化
太陽發光發熱，光芒萬丈。這些能量來自其中心的穩定熱核反應，4個氫原子核聚變形成1個氦原子核。太陽內部熱核反應的產能功率為3.86×10erg/s(即386億億億瓦)，每秒產生的能量相當於1千億顆氫彈爆炸。我們在夜空中看到的星星大多都是恆星，這些恆星就是一個個太陽，通過自身內部的熱核反應來發光發熱。
一般來說，恆星的結構是穩定的，自身向內的引力和向外的壓力相互制約，維持平衡。但不同類型的恆星向外的壓力各不相同。大部分恆星都和太陽一樣，主要靠氣體壓來抵抗引力，維持平衡。而白矮星引力太強，氣體壓不足以對抗引力，對抗引力的是電子簡併壓。關於白矮星的結構，還有一個小故事。1930年，19歲的錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)乘輪船去英國劍橋大學讀書。在船上，他對白矮星的性質進行了重新計算。考慮到簡併時電子運動速度極高，他假設電子遵循愛因斯坦狹義相對論而非牛頓力學。在牛頓力學的情況下，白矮星質量越大，其半徑越大。而在愛因斯坦狹義相對論的情況下，白矮星質量越大，其半徑越小。當質量大到某一個值時，半徑趨於零，即白矮星存在一個質量上限！該上限(大約1.4倍太陽質量)稱之為錢德拉塞卡質量極限，超過這個上限白矮星就會爆炸。錢德拉塞卡質量極限其實預示了中子星和黑洞的存在。他的這篇文章雖然只有兩頁，卻影響深遠，終結了統治天文學界兩千年之久的亞里士多德宇宙觀。亞里士多德認為宇宙寧靜而完美，而錢德拉塞卡的工作表明，在引力主導的宇宙中，爆發與死亡是一個新常態。恆星爆發後形成中子星或黑洞。中子星的半徑約為10千米，主要由中子簡併壓抵抗引力。黑洞的半徑更小，質量與太陽相當的黑洞其半徑只有3千米，引力更強，連光都無法逃逸出來。由於錢德拉塞卡在恆星結構與演化方面的貢獻，他獲得了1983年的諾貝爾物理學獎。
談到恆星結構與演化，就不得不提及著名的赫羅圖(Hertzsprung—Russell Diagram)。赫羅圖是恆星物理研究的里程碑，其地位類似於化學研究中的元素同期表。赫羅圖是由兩名科學家赫茨普龍(Ejnar Hertzsprung)和羅素(Henry Norris Russell)獨立完成的。赫羅圖的橫軸是恆星的溫度(用顏色表示)，縱軸是恆星的光度，不同類型的恆星分布在赫羅圖的不同位置(圖3)。例如主序星分布在從左上角到右下角的一個條帶上，右上角主要是紅巨星和紅超巨星，左下角主要是白矮星。赫羅圖其實表示的是不同質量恆星的演化軌跡(圖3中黃色線)。
圖3 恆星在赫羅圖上的分布示意圖。橫坐標為恆星的溫度(用顏色表示)，縱坐標為恆星光度(以太陽光度為單位)，黃色線代表太陽的演化軌跡(修改自https://www.savemyexams.com)
在恆星結構與演化理論中，我們需要求解下面幾個方程：質量守恆方程(質量等於密度乘以體積)、動量守恆方程(牛頓第二定律)、能量轉移方程(對流、輻射、熱傳導)、能量變化方程(熱核反應、中微子能量損失、熱狀態變化)、化學組成變化方程(熱核反應把一種元素變為另一種元素)。通過求解這些方程，我們可以得到恆星內部各個物理量，如溫度、亮度、密度、壓強、半徑，並得到這些物理量隨時間的變化，從而對恆星的一生有一個相對完備的認識。
圖4 太陽的結構
例如，通過計算機求解恆星結構與演化的基本方程組，我們可以得到太陽的結構(圖4)，模擬太陽的一生(圖3和圖5)。46億年前，太陽由星雲坍縮形成。在經歷約46億年的中心氫燃燒後，演化到了太陽當前的狀態。再過50億年，太陽將演化為一顆紅巨星。紅巨星繼續演化10億年，其外殼拋射成為美麗的行星狀星雲，內核變為一顆白矮星，並將一直冷卻下去。太陽屬於中小質量恆星，其演化結局是一顆白矮星。
圖5 恆星演化示意圖
恆星的一生跟我們人的一生非常相似(圖5)，經歷孕育期(星雲中恆星形成階段)、童年期(原初恆星階段)、青年期(主序星階段)、老年期(巨星階段)和死亡(行星狀星雲或超新星爆發)等過程。小質量恆星，也就是質量小於等於8的恆星，最終將演化形成白矮星；更大質量的恆星將通過超新星爆炸形成中子星或者黑洞。
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超新星爆炸與元素核合成
古代天文學家發現，天空中有時會突然多出一顆星，即「新星」。比如，遠在公元前14世紀的商代甲骨卜辭中就記載著出現於天蠍座α星附近的一顆新星：「七日己巳夕……新大星併火」。《宋史·天文志》中記載：「景德三年四月戊寅，周伯星見，出氐南，騎官西一度，狀如半月，有芒角，煌煌然可以鑒物」。到了近代，哈特維希(Ernst Hartwig)於1885年在仙女座星雲(M31)中發現了一顆新星，而1919年倫德馬克(Knut Lundmark)測出M31到地球的距離約70萬光年(註：現代的觀測結果為250萬光年)。這就意味著哈特維希發現的新星比正常恆星亮幾億倍，從此產生了「超新星」的概念。超新星是恆星生命晚期產生的爆炸現象，爆炸時其亮度在幾天內增加千萬倍到百億倍。
根據超新星爆發的物理機制，超新星主要分為核坍縮型超新星和熱核爆炸型超新星兩類。大質量恆星演化時，中心經歷了氫到氦、氦到碳氧、最後到鐵的核合成，這些核合成產生能量，維持著恆星的生命。恆星演化到晚期時，中心變成了鐵核，鐵是最穩定的核素，無法繼續燃燒。當鐵核增長到錢德拉塞卡質量極限時，鐵核內部的壓力不足以抵抗自身引力，發生坍縮，形成一顆中子星或者黑洞。坍縮釋放的引力能將恆星的外殼炸開，產生核坍縮型超新星。中小質量恆星演化到晚期，變成碳氧白矮星。如果其處於雙星系統，這顆白矮星可能從它的伴星得到物質，白矮星質量增加。當質量增加到錢德拉塞卡質量極限時，內部的壓力不足以抵抗自身引力，白矮星收縮，溫度升高至碳燃燒的點火溫度，觸發失控式的熱核爆炸，產生熱核爆炸型超新星(圖6)。
圖6 當碳氧白矮星的質量達到錢德拉塞卡質量極限(約1.4)時，發生失控的熱核反應，產生熱核爆炸。熱核爆炸超新星的亮度是太陽亮度的約100億倍，且性質驚人的一致，是測量宇宙學距離的理想標尺。利用這個標尺，科學家們發現宇宙在加速膨脹，推論出了暗能量的存在(見第5節。圖修改自https://en.wikipedia.org)
超新星產生重元素，驅動宇宙的化學演化。宇宙大爆炸產生氫、氦和少量的鋰。恆星這個「煉丹爐」把輕元素燒成了重元素，從氫到氦到碳氧一直到鐵。恆星「煉丹」過程中產生能量，維持著恆星的生命。但要想產生比鐵重的元素，如金、銀、鉑等，需要輸入能量。超新星爆炸產生的能量，燒制出了比鐵重的元素。圖7展示了宇宙中化學元素的來源及其隨時間的演化。
圖7 宇宙中元素丰度隨時間的演化，其中每個小方格的橫坐標是宇宙年齡(0—13.8 Gyr)，不同顏色代表不同天體物理過程的核合成。黑色代表宇宙大爆炸，綠色代表中小質量恆星的正常演化，藍色代表大質量恆星演化晚期的核坍縮爆炸超新星，紅色代表中小質量恆星演化晚期的熱核爆炸超新星，紫色代表雙中子星併合
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雙星演化與特殊天體的形成
自然界中成雙成對是個普遍現象，恆星也不例外。宇宙中約一半的恆星是雙星，雙星中的兩個子星在萬有引力的作用下圍著共同質心相互繞轉。正是由於雙星的存在，恆星世界變得豐富多彩。
如果雙星中兩個子星的距離比較近，其演化進程中會發生物質交流現象(圖8)。主星(質量大的子星)演化比伴星(質量小的子星)的快，演化過程中主星自身膨脹。當主星膨脹到其表面到達內拉格朗日點(內拉格朗日點是指兩個子星之間連線上的一個位置點，在該位置點，物質受到的兩子星引力和離心力達到平衡)時，主星表面的物質會在伴星的引力作用下，通過內拉格朗日點，被拉到伴星上(圖8)。穩定的物質交流過程會把主星的整個外殼轉移到伴星，只剩下一個核，產生一個長軌道周期的雙星。很多情況下物質交流過程是一個正反饋過程，即物質從主星流向伴星導致主星快速膨脹，物質交流變得越來越快。由於失穩的物質交流過程太快，伴星無法接納吸收主星的物質，導致共有包層系統的形成。在該系統中，主星的核和伴星在一個共有包層中相互繞轉，在摩擦力的作用下兩子星迅速旋進，並在旋進過程中釋放軌道能。釋放的能量如果把共有包層拋射掉，則該系統演變為短周期雙星。如果共有包層不能被拋射掉，兩子星併合，則形成一個快速自轉的單星。
圖8 雙星物質交換示意圖
雙星演化產生了各種各樣的特殊天體。雙星演化產生X射線雙星，通過X射線雙星，人類第一次證實了黑洞的存在。雙星演化產生熱核爆炸超新星，通過這類超新星，科學家發現宇宙加速膨脹，推論出了暗能量的存在。雙星演化產生雙黑洞、雙中子星、雙白矮星，它們是地面和空間引力波探測器的觀測對象。雙星演化還產生毫秒脈衝星、新星、大陵五佯謬星、吸血鬼恆星、熱亞矮星、雙極行星狀星雲等，這些天體都是我們認識宇宙的重要探針。
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如何通過恆星認識宇宙
我們總是假設，物理定律是普適的。對恆星的研究，其實就是將地球上的物理定律用於天體的一個過程，也是一個「物理」與「天體物理」相互促進的過程。我們用牛頓力學、熱力學統計物理、核物理、原子物理、電磁學、相對論等來解釋天體的觀測結果，對觀測進行預言，對物理定律進行驗證，從而增加對物理規律的深入理解。例如，通過行星的運動，牛頓發現了萬有引力定律。赫歇爾(William Herschel)1781年通過望遠鏡觀測到雙星相互繞轉，說明萬有引力定律不但在太陽系內適用，對其他天體同樣適用。Georges Rayet等多位科學家在1868年日全食時從太陽譜線中發現了一種新元素，被命名為「氦」(希臘語「太陽」的意思)，後來「氦」在地球上也被找到。
對恆星的研究使我們認識到宇宙很大。以前有地心說、日心說，後來通過觀測恆星的運動，認識到恆星都在繞著銀河系中心運動。銀河系是宇宙的孤島嗎？我們的宇宙到底有多大？夏季的夜空，在銀河旁邊的仙女星座，有一個肉眼可見的星雲。這個仙女座大星雲是銀河系的一部分還是在銀河外？這引發了1920年的大辯論(Shapley—Curtis辯論)。哈勃(Edwan Hubble)於1925年發現了仙女座大星雲中的造父變星，才使得大辯論有了結論。造父變星是一類紅巨星，周期性的膨脹和收縮，其亮度也會周期性的變化。越大的紅巨星越亮，其亮度變化的周期也越長，即對造父變星而言，存在一個周期—亮度關係。通過測量造父變星的光變周期，就得到了其本身的亮度。天文學上測距離常用的方法是標準燭光法，同樣亮度的天體，離我們越遠，觀測到的「視」亮度就越暗(與距離的平方成反比)。知道造父變星本身亮度後，根據「視」亮度就可以反推其距離。通過造父變星測距發現，仙女座大星雲遠在銀河系外面，是另外一個星系，從而科學家「發現」了宇宙。現代的觀測表明，仙女座大星雲距我們250萬光年，銀河系的大小只有10萬光年左右，仙女座大星雲這個星系其實比我們銀河系大很多。
暗物質成為一個研究對象也是起源於對恆星的觀測。20世紀70年代，魯賓(Vera Rubin)測量了鄰近的仙女座星系(M31，即仙女座大星雲)中恆星的運動速度。按照牛頓的萬有引力定律，在距離星系中心越遠的地方，恆星的運動速度應該隨著距離的增加而減慢，就像太陽系中那樣，離太陽遠的行星比離太陽近的行星的運動速度慢一些。但魯賓的觀測表明，處於星系外圍的恆星的運動速度並沒有變小。維持大的速度需要大的引力，而可見物質並不足以產生這麼大的引力。因此，人們推斷，星系中有一種不可見的物質，即暗物質，為這些恆星提供引力。暗物質的概念雖然很早就被提出，並有一些觀測證據，但並未引起人們的重視，魯賓的高精度光譜觀測讓科學家們相信，暗物質確實存在。
暗能量是恆星物理研究另一重要貢獻。前面我們提到，雙星演化產生熱核爆炸超新星。這類超新星特別亮，是太陽亮度的100億倍，相當於整個銀河系的亮度。這類超新星來自達到錢德拉塞卡質量極限的碳氧白矮星的熱核爆炸，亮度非常單一。經過一些經驗關係對其亮度進行標定，可以把其亮度標定的非常精確。這樣，通過這類超新星，利用標準燭光法，距離可測得又遠又准。科學家們的初衷是，通過這類超新星測距，並將結果與宇宙學模型進行比對，來證明宇宙減速膨脹。但兩個相互競爭的團隊驚奇的發現，宇宙在加速膨脹。這意味著有一種未知的能量在驅動宇宙加速膨脹。暗能量是什麼，我們還不清楚，隨著觀測精度的提高，暗能量的神秘面紗最終會被揭開。
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另外一個地球
地球在宇宙中是唯一的嗎？還有另外的地球嗎？為了回答這個問題，麥耶(Michel Mayor)和奎洛茲(Didier Queloz)通過提高光譜儀的穩定性和精度，利用多普勒效應測量恆星的視向運動速度，在1995年發現了繞類太陽恆星轉動的系外行星，飛馬座51b。所謂的多普勒效應就是，當光源向我們運動時，譜線向短波方向移動(藍移)；當光源遠離我們而去時，譜線向長波方向移動(紅移)。如果一顆和太陽類似的恆星(類太陽恆星)具有行星，在萬有引力的作用下，恆星和行星二者會繞共同的質心轉動。通過光譜儀測量出這顆恆星的譜線的移動，由多普勒效應可以反推其運動速度，再通過開普勒第三定律可反推出行星的存在。飛馬座51b就是這樣被發現的(圖9)。
圖9 系外行星探測方法示意圖(修改自Enduring Quests Daring Visions，NASA Astrophysics in the Next Three Decades)
另外一種常用的搜尋系外行星的方法是掩食法(凌星法)(圖9)。行星繞恆星公轉時，在恆星前面經過，會擋住一部分恆星的光，使觀測到的恆星亮度下降。通過觀測恆星的周期性的亮度變暗，可以反推出行星的存在，並反演行星的性質。由於掩食時恆星的光會透過行星的大氣，科學家通過比較掩食時和非掩食時的恆星光譜，甚至可以分析出行星大氣的化學成分。搜尋系外行星的方法還有很多，例如直接成像法、微引力透鏡法等(圖9)。從1995年到現在，科學家們發現了近6000顆系外行星，絕大部分都是利用多普勒效應或行星掩食得到的。
並不是所有的行星都適合生命存在，行星與恆星之間的距離會直接影響到行星上的溫度，這就會直接影響到行星的宜居性。距恆星太近，溫度太高，距恆星太遠，溫度太低。另外行星不能太大，大的行星是氣態行星。行星也不能太小，太小無法留住其大氣。尋找宜居行星，或者說與地球類似的行星，仍然任重道遠。
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展 望
宇宙浩瀚而豐富，充滿了值得我們不斷探索的精彩與驚喜。光是我們認知宇宙的主要手段，而恆星作為絕大部分光的來源，成為探索宇宙的重要探針。因此，恆星物理也成為天體物理學中起步最早、基礎最為堅實的領域。儘管恆星物理的基本框架已基本確立，取得了諸多重要進展，但要真正理解恆星，並藉此揭示宇宙的奧秘，我們仍有很長的路要走。
進入新時代，從地面到太空，大量新型觀測設備投入使用，新的觀測技術不斷湧現，計算能力顯著提升，人工智慧也開始在天文學中發揮重要作用，恆星物理迎來了前所未有的發展機遇。例如，光干涉技術的進步大幅提升了光學觀測的空間解析度，使得恆星不再是傳統意義上的「點源」，而逐漸顯現為「面源」。可以想像，隨著光干涉技術的進一步發展，我們有望像觀測太陽一樣清晰地解析其他恆星。此外，LAMOST等光纖多目標望遠鏡的投入使用，為我們提供了數千萬計的恆星光譜數據，推動了恆星研究從「逐一觀測」進入「批量分析」的新時代，使許多以往難以解決的問題逐漸變得可以解決。與此同時，引力波與中微子探測技術的突破，以及射電、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線等多波段觀測設備的廣泛應用，使得恆星物理的「多信使」研究逐步成為新常態。在理論與數值模擬方面，過去的恆星理論往往只能考慮基本物理過程，許多複雜機制被忽略或簡化。然而，隨著計算能力的巨大提升，恆星磁場、對流、三維結構及雙星相互作用(如物質交換與共有包層演化)等領域的研究必將取得突破性進展。
在天文學的整體框架中，研究層次可分為行星、恆星與星系宇宙學，而恆星在其中起著承上啟下的關鍵作用：它是行星的宿主，也是構成星系的基本單元。利用恆星揭示宇宙的奧秘，是擺在我們面前的重要任務。宇宙這個神秘的知識寶庫，蘊藏著無盡的寶藏，等待著我們一代又一代人去發掘、去探索。
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來源：中國物理學會期刊網
編輯：瀟瀟雨歇
