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[宇宙的奇迹]星星之死Comments>>

发表于 2015-05-29 18:10 | Tags 标签:,

布赖恩·考克斯教授归来,借这本《宇宙的奇迹》,他将带领我们穿越时间与空间,开始一段充满真知灼见而又令人兴奋的旅程:你会见证那个137亿年之久,930亿光年之广,1000亿个星系星罗棋布,而每个星系又包含着千亿、万亿颗恒星的无法想象的庞然大物。

考克斯教授一生致力于认识我们的宇宙。关于我们自己,关于我们所生活的世界,我们有许多深刻的问题需要回答。在这本书中,他决心用一种特殊而易于理解的方式为这些问题寻找答案。

本书由科学松鼠会的两位成员李剑龙(Sheldon)和叶泉志(小龙哈勃)合作翻译,以下内容选载自本书第二章。

制作电视纪录片的时候,我们总是寻求各种视觉手段来呈现复杂的故事。拍摄《宇宙的奇迹》时,我们满世界地寻找可以用来打比方或作为影片背景的地方,但在我看来,最成功的场景莫过于巴西里约热内卢中心区的一所废弃监狱。

这个建筑的外墙已经差不多毁坏了,只留下一副砖骨架;所有的窗户,如果曾经有窗户的话,也全部消失了。每一个牢房有20~30个混凝土浇筑的双层床,相互紧紧挨着;以及一个小小的浴室,几块破烂的布条仍然搭在浴室入口处,以作为遮挡之用。牢房的墙壁是某种色彩斑斓的奇怪拼图,妖娆的少女和古怪的足球队海报夹杂其间。

这地方有两个让我觉得很不舒服的特点:首先,你很难不让自己想象被关在这里的感觉,因为对于一个像里约热内卢这样炎热潮湿的城市,在一个钢筋混凝土牢笼里被关个好几年肯定不是一种享受。第二点则更直接,那就是这座监狱现在正填满了爆炸物。从牢房里往外看,明亮的外部世界发着强光,如恒星表面一样压迫着你,让你几乎很难同时看到黑暗的室内。但那些光并不照进来,它停留在外面的城市里。当我小心翼翼地顺着满是坑洞的、看起来摇摇欲坠的楼梯往下走时,我觉得好像我正在下降到一颗垂死恒星的致密内核上一般。生命所必需的元素,就在这暴烈可怕的、远离光亮的地方合成。正是在这里,恒星从物质消耗者变成了物质生产者。

恒星都活在某种让人窒息的平衡中。它们的引力在努力压缩各自的大小,于是它们的温度升高,直至氢原子克服了彼此之间的电磁斥力,通过核聚变反应生成氦。这一过程释放出能量,使恒星得以发光发热,并因此抵消引力的作用。当氢被耗尽时,向外的光压消失了,引力又占了上风,恒星的结构被迫发生剧烈的变化。恒星迅速向内坍缩,留下了一层氢和氦组成的外壳。随着恒星的坍缩,恒星内核的温度迅速上升至1亿摄氏度,并开启了新的聚变反应。在如此高的温度下,氦原子也克服了彼此之间的电磁力,开始结合为新的元素——这些恒星开始以氦为燃料了。这一从氢聚变到氦聚变的转变有两个重要的效果:首先,恒星释放的能量足以抵消掉自身的坍缩,于是再度稳定下来并开始迅速膨胀。这是它的红巨星阶段的开始。其次,它开始合成对生命至关重要的元素。一开始,一对包含两个质子和两个中子的氦原子核,只能合成拥有4个质子和4个中子的同位素铍-8。这个铍的同位素并不稳定,会很快衰变。但垂死的恒星会产生极高的温度,比如在其内核,温度会超过1亿摄氏度。这些原子核的存在时间已经足够让它与第3个氦原子结合成一种重要的元素——碳-12。这就是宇宙中所有碳元素的由来:地球上所有生命中的碳原子都来自于垂死恒星的心脏。

氦燃烧阶段并不以合成碳为终结,因为在这一极其炽热的阶段,恒星内部的环境使得氦核可以和新生成的碳核结合,从而生成另一种生命不可或缺的元素——氧。氧在我们呼吸的空气中占21%。它也是水——生命之源——的必备成分,同时也是排在氢和氦之后的宇宙中最常见的元素。我们每个人每分钟大概要吸入2.5克的氧,所以这里或许应该着重提一下,这种生命不可或缺的气体最初是在一个极其不适合生命生存的环境中被制造出来的。

恒星相比较于其漫长的寿命来说,能制造碳和氧的时间可谓是白驹过隙。在大约100万年后,恒星的氦也消耗殆尽,对于许多恒星来说,发光的日子就到此为止了。对于一般尺寸的恒星,比如太阳,充满活力的岁月至此一去不复返。当太阳在大概100亿年后到达这一阶段时,它的引力已经不足以进一步压缩内核,以重启聚变反应了。这时,它会变得越来越不稳定,内部产生许多强烈的压力点,直到最终将整个恒星外壳炸开,将珍贵的氧、碳、氢以及许多别的元素释放到深空之中。在这一短暂的、大概不到数万年的时间内,垂死的恒星会绘制出宇宙中最美丽的画面之一:行星状星云。

在宇宙之光的短暂演出结束后,这样的恒星会收缩成一个比地球还小的小东西:白矮星。这就是数万亿颗此类恒星的最终命运。但对于像参宿四一样的大质量恒星来说,故事远未结束。质量是太阳1.5倍的恒星会继续开动元素生产线。当氦聚变结束之时,引力会进一步压缩恒星的内核。这时,内核的温度再次上升,启动了宇宙第三轮元素生产线。当内核温度上升到几亿摄氏度时,碳和氦结合生成氖(译注:不同资料的说法不一。有资料指出,恒星的质量为太阳质量的9~10倍时才能引发碳的核聚变反应),氖和氦结合生成镁,两个碳原子又结合生成钠。越来越多的元素成为火炉里的原料,随着温度的升高,一个接一个地产生重元素。内核进一步收缩,温度继续升高,触发了新一轮的聚变,将刚刚生成的元素组成的壳层留在外面。

合成了元素周期表上前25个元素之后,这个失控的生产线开始以硅为燃料,启动一系列复杂的反应,以合成第26个元素——铁。此时恒星的温度已经高达25亿摄氏度,但不会继续升高了。这时,原子核的稳定性已经到达了巅峰,无论怎么往铁原子里塞质子或中子,它也不会再释放能量了。恒星最后的能合成铁的阶段只有几天。在使劲榨干自己最后一点结合能来阻挡引力坍缩的过程中,恒星形成了一个几乎完全由铁构成的内核。聚合反应到此就停下来了。当恒星形成铁核之后,留给它的时间短得只能以秒来计。引力获得了完全的胜利,恒星在其自身重量下不可阻挡地坍缩,化作行星状星云。

当我在镜头中离开这栋监狱时,某处的电钮被按下,整栋建筑轰然坍塌,化为瓦砾。这毁灭只花了数秒的时间——和参宿四那样的红巨星轰然毁灭所需要的时间差不多。

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【如同一颗正在死亡的恒星一样,一栋建筑的结构和它赖以屹立的基础会随着时间的推移而变得越来越不稳定。人们向这栋监狱施以援手,让它快一些毁灭,但一颗恒星在生命终结之时也会自己炸开,形成壮观的行星状星云。毁掉这栋监狱只需要短短几秒,这和红巨星坍缩花去的时间差不多。】

以下图片均为行星状星云。

700063_2【爱斯基摩星云之所以叫这个名字,是因为它看起来像是个戴着皮毛兜帽的人脸。它是由威廉·赫歇尔在1787年发现的。】

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【这一合成影像拍摄的是螺旋星云。在地球上看来,这一行星状星云像是个油炸圈饼。但最新的研究表明,它实际上是由两个气体盘组成的。

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【IC 4406是垂死的恒星吹出的行星状星云。和其他许多行星状星云一样,它看起来高度对称。IC 4406又被称为视网膜星云,因为中央恒星抛射出的尘埃纹理,看起来很像视网膜。】

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【葫芦星云距离地球大约5000光年或4700万亿千米。这张由哈勃太空望远镜拍摄到的影像呈现了恒星喷射物质时的景象。】

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【MyCn18是一个年轻的行星状星云,早在20世纪初就为人所知。然而,这张由哈勃太空望远镜在1996年1月拍摄的影像才第一次揭示了这个星云沙漏一样的形状以及错综复杂的纹理。】

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【“猫眼星云”这个名字或许对这个星云恰如其分(其正式编号是NGC 6543),它是人类发现的第一批行星状星云之一,1786年由威廉·赫歇尔发现。它是我们在宇宙中已知的、结构最复杂的星云之一。】

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【这张拍摄于1997年7月20日的影像呈现的是Mz3星云。Mz3一直被称为“蚂蚁星云”,因为在地球上来看,它酷似一只蚂蚁的脑袋和躯干。仔细观察发现,蚂蚁的躯干似乎是由两个炽热的瓣组成的。】

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【这一行星状星云被称为科胡特克 4-55或K4-55,以它的发现者、捷克天文学家卢博斯·科胡特克之名命名。它的不寻常之处在于其多层气壳结构。】

最稀罕的物质

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【位于加利福尼亚州的16-1金矿一度是美国淘金热的中心,如今这里是少数几个仍在开采的金矿之一。在这里和矿工们一块淘金是个有意思的体验。当我仔细观察这些看起来稀松平常的石头时,我可以隐约看到那熟悉的金黄色,显示着这石头里实际上藏着一块黄金。】

元素周期表上前26个元素在恒星的核心区合成,并随着恒星们不可阻挡的死亡散布到宇宙各处。但另外72个元素——其中有一些生命不可或缺的、或者我们认为非常珍贵的元素——是从哪儿来的呢?如果它们不是在恒星中诞生的,又会来自哪里呢?

在美国加利福尼亚州西北部的一处偏僻的森林里,大山隐藏着一个秘密。这个秘密在仅仅一个世纪之前曾让淘金者将这片安静的松林作为最终目的地。尽管今天这里已经颇为空旷,但在19世纪下半叶,这里曾是加利福尼亚淘金热的中心区域。成百上千的人来到这里,有的带着最简单的铁铲,有的带着最先进的掘矿技术,为了变得富有而在所不惜。淘出的黄金价值数亿美元,这催生了世界大城市之一——旧金山。对黄金的疯狂渴求如今已经消退,但隐藏在环绕着塔霍湖的森林中的16-1金矿仍然是加利福尼亚州内仍在开采的少数几个金矿之一。

近100年来,矿工一直在16-1金矿中工作。它是世界上最多产的金矿之一,这得益于其独特的地质结构。加利福尼亚的独特之处之一在于,它正好位于北美板块和环太平洋板块的交界处。

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整个区域位于一个巨大的断裂带上,而山脉中有数千个稍小的断层。当你走入金矿时,实际上不过是在坡度平缓的隧道中沿着水平方向朝大山内部走去。这时你会看到到处都是断层。它们看来就是岩石和石英之间的肉眼可见的界限——那就是许多迷你断层组成的迷宫。在1.4亿年前的侏罗纪,恐龙还在金矿上方漫步,热水带着宝藏从这里涌出,并流过这些岩石。这些热水将从地底深处的黄金带上来,并卡在石英的缝 隙处。在过去的100年中,矿工就顺着石英的缝隙寻找 微微发光的黄金。

金矿的石英里镶嵌的黄金的纯度非同寻常, 有时可高达85%。这些厚厚的金屑在石缝中蜿蜒,在阳光下发出微弱的、让人熟悉的金黄色辉光。其余的成分中,有14.5%是银,以及微量的重金属。这一带区域的黄金几乎是俯拾即是:在河床上随便走走,就有可能捡到纯金块。考虑到截至2010年,金价仍高达每 克30英镑,不难理解为什么像这样的金矿仍然没有关闭。

如果在这里停下来,开始想想这一切,我们大概会感到有点奇怪:为什么我们赋予黄金如此高的价值呢?纵观历史,人们为了获得黄金可以说是不顾一切,但想想看,黄金并不能拿来做什么非常有用的事 情。铜和铁可以让我们生存,但黄金几乎全然无用。花费了大量力气开采出来的黄金,主要被装饰在首饰 上。除了看起来闪闪发亮以外,黄金的唯一价值在于其极度地罕有,这使得黄金价格一直高不可及。人类 历史上挖到的所有黄金—每一丝都能讲述一个惨剧与狂喜、艰辛与暴富的故事—只能填满3个标准游泳池。

黄金之所以如此珍贵(3个游泳池相较于一个星球),正是因为它们如此稀缺;但它只是地球上许多极其稀缺的元素中的一种。 宇宙中有60多种比铁重的元素。在它们之中,有的元素非常珍贵,比如金、银和铂;有的元素对于生命是不可或缺的,比如铜和锌;有一些只是非常有用,比如铀、锡和铅。在质量非常大的恒星的内核中,通过一种叫“中子俘获”的过程,恒星可以制造出轻于铋——209(第83号元素)的元素,但这不足以创造出如今我们所见的这么大量的重元素。很简单,因为宇宙中还没有过足够多的超大质量恒星。 能制造大量重元素的环境只存在于最罕有的天文事件之中。这些事件可是名副其实地稍纵即逝,因为对于一个包含1000亿颗恒星的星系而言,属于制造大量重元素的极端环境的时间,平均每个世纪只有不到2分钟。

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9 Responses to “[宇宙的奇迹]星星之死”

  1. sunway说道:

    爱斯基摩星云名称似乎来自推算回去恒星爆发的时间与爱斯基摩人从亚洲迁移到美洲的时间一致;而且大质量恒星死亡前产生的星云不大好说是行星状星云吧。。。

  2. 马蒂说道:

    在氢的核聚变反应之后,氦进行热核反应时产生了碳,之后又是氧,文中说碳与氢产生了氧但这时候应该是有质量限制的不是吗

  3. 将就看懂说道:

    漂亮的图片,翻译也蛮不错

  4. 拼音佳佳说道:

    c12吃掉中子变成c13,c14,然后衰变成n14,然后再吃中子,衰变.反正这个过程是能产生金子的.只不过这些重元素,如果不是恒星爆炸,它也出不来...

    • gundamfire说道:

      不是说铁以上的重元素只在新星爆发的时候才生成的吗?

    • 海平说道:

      比铁分子量更大的元素的产生如此困难,是怎么来到太阳系的地球的呢?

  5. 光之物理说道:

    物质结构光子说将马克思主义哲学相对论光量子理论数学推演和各种物理现象综合起来理解物质及其运动统一性联系性的美!理解光生万物万物就是光!物质结构光子说基于相对论和光量子理论得到了比较系统的关于质量,能量,光子,电子和物质的观点!得到了比较好的物理结果!提出基本实物粒子(电子,中微子)是光子的黑洞态学说。导出电子的相对论质速关系式和光电统一方程将引力电力写进统一的数学方程式。将引力常数电力常数基本电荷光速普朗克常数精细结构常数以及圆周率写入一组统一的数学方程组,揭示了光子与实物粒子(电子和中微子)的内在统一性,指出了光子的动质量m=hv/cc与实物粒子(电子,中微子)惯性质量的本质上的统一性!指出电子(中微子)静质量和动质量的本质就是电子(中微子)中心处于黑洞态的光子的动质量,揭示了质量的本质及起源!万有引力的起源以及他与光子的内在关系!得到了正负电荷概念的全新理解认识!提出了正负电荷可相互转化理论!提出了一种利用一定数目具有一定动能(动质量)的正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想,得到了质子和中子的半径,计算出核力的大小和强度,解释了核力的短程饱和性。解释了原子核在发生核反应时静质量变化的本质和内在机理,解释了各种核现象!具体论证请读周银兵新浪博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_701055fe0101bd1n.html

  6. zhangfeijun说道:

    图片葫芦星云的文字注解“距离地球大约5000光年或4700万亿千米”应更正为47000万亿公里。

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