半小時漫畫宇宙大爆炸

六、恆星真的「永恆」嗎？

前面說到，天文界拋出宇宙大爆炸後，核子物理學家就跑來蹭熱點，伽莫夫三人組蹭出了新高度，讓宇宙大爆炸論更完整。
天文學的熱點當然不止宇宙起源這一個，當時還有很多令人頭疼的問題，比如：
恆星為什麼會發光？
除了氫和氦，其他元素是怎來的？
……
本著蹭熱點就要大家一起蹭的初心，伽莫夫掀起的這一波潮流，吸引了許多核子物理學家加入了戰局。
恰好這些問題都需要用到核子物理學家的知識，他們手起刀落，就直接把恆星和元素的問題都解決了。
所以，這回我們就來講講科學家研究恆星的那些事。

1、恆星的壯年
在眾多蹭熱點的核子物理學家中，有一個人深得「近水樓臺先得月」的精髓，什麼也沒幹，就混到了著名論文的作者的名頭，他就是：漢斯．貝特（Hans Albrecht Bethe），伽莫夫的同事，理工鋼鐵直男，蹭熱點小能手。
話說伽莫夫帶著學生拉爾夫．阿爾菲（Ralph Asher Alpher）寫了一篇知名論文，署名的時候，他們就發現：阿爾菲是α，希臘字母表排第一。伽莫夫是γ（編注：γ發音gamma，與伽莫夫名字Gamow發音雷同），希臘字母表排第三。如果再來個β（希臘字母表排第二）就完美了。
於是，他們盯上了辦公室同事貝特，毫不猶豫地把貝特的名字加到了論文上：我們是——希臘字母天團！
這篇論文就是宇宙大爆炸論的奠基之作，江湖人稱αβγ論文，它居然還是在愚人節那天發表的。
在前面的章節中，我們提到過，這篇論文解決了宇宙誕生早期氫元素和氦元素的起源問題。別人都是主動蹭熱點，小貝是直接被熱點蹭，堪稱熱點界的一股清流。
小貝是個有骨氣的人，決心要憑自己的真本事說話，他接過了伽莫夫丟來的接力棒，繼續探索。當時的天文學家已經猜到，恆星是靠核融合反應來發光發熱的。
但誰也沒法說清楚是哪些核反應，於是，大家開了個會，一起交流交流想法。
沒承想，會上沒解決的問題，貝特在回家的火車上來了靈感，一頓飯的工夫給解決了。
他這回解出了大質量恆星的燃燒機制，大概的意思就是：在碳、氮、氧的幫助下，氫原子核合成氦原子核。
貝特提出的這個原理叫「碳氮氧循環」。
這裡的碳、氮、氧發揮了類似於催化劑的作用，反應前後沒有明顯的數量變化。
碳氮氧循環也叫「貝特—魏茨澤克循環」，是因為貝特和魏茨澤克兩人分別獨立提出了這個循環。
作為一個有追求的科學家，小貝解決了大質量恆星的問題，當然也不會放過低質量恆星的問題。這不，他緊接著就提出了解決方案。
這種4個氫原子核也發揚精神，不靠外援靠本事，湊成1個氦核的理論，被稱為「質子—質子鏈反應」，這也是太陽燃燒的主要方式。
伽莫夫、阿爾菲和小貝沒有真的合作過，但他們的理論都解釋了氦元素的起源，貝特還因此獲得了諾貝爾物理學獎。
而小貝等人的研究也告訴我們，恆星壯年的時候，是靠著「燒」氫來發光發熱的，氫燒完後的「渣」就是氦。
氫恆星：恆星中心主要是氫
氦恆星：恆星中心主要是氦
那麼問題就來了，如果氫燒完了，恆星會怎樣？

2、恆星的晚年
這就要請出另一位熱點界的扛霸子，宇宙大爆炸和恆星的熱點，他一個沒落下，而且喜歡跟大家反著來，堪稱科學界的一盞「明燈」。
霍伊爾。霍金曾經的偶像，反向助攻的高手，一個喜歡唱反調卻總是跑調的人。
前面我們說到，愛因斯坦提出靜態宇宙的看法。後來，伽莫夫等人完善了宇宙大爆炸論。
霍伊爾甚至為了嘲諷伽莫夫等人的理論，在廣播節目中特地為對手的理論起了個名字：Big Bang。
霍伊爾提出的Big Bang就是「大爆炸」的意思，他取的這個名字簡直是既生動又形象。
多虧了霍伊爾的這次宣傳，大爆炸這個理論一下子就紅了，後來這個名字也逐漸被科學家們接受和認可，霍伊爾也因為這件事成為科學界反向助攻之王。
「Big Bang」一詞出現之前，這個理論的名字對大眾一點都不友好，知道這個理論的人很少，但是之後……你懂的。
這一次的失敗讓霍伊爾很是傷感，如果你以為霍伊爾是那種輕言放棄的人，那你就錯了，因為他的一生——不是在反對大爆炸理論，就是在思考如何反對大爆炸理論。
為了更加嚴謹地推進反對活動，霍伊爾使了個大招，他想從元素的角度來進行反擊。當時大爆炸理論還無法解釋除了氫和氦以外的元素是如何產生的。
霍伊爾認為，這是一個好機會，於是，他提出了一個大膽的想法。
霍伊爾提出，恆星能不能自動造元素，主要還是跟恆星的質量有關，如果質量跟得上，恆星就會自動升級核反應創造元素。
每升一級，元素週期表就能向後推進一點。只是當時的科學家把二級核反應拆開來看，發現核反應前後質量不相等，違背了質量守恆定律。於是得出結論：
恆星的整個核反應鏈條，在碳這裡掉鏈子了，核反應進行不下去，這就出了大問題。
但霍伊爾是一根筋，「煉丹爐」都提出來了，他不可能允許自己在碳這裡摔跟頭。
於是，霍伊爾再次開啟腦洞，據說他是這樣說服自己的：
地球上到處都有碳、恆星是造元素的→恆星肯定會造碳→如果不是這一種，肯定還有另一種。
順著這個思路，一波計算後，他就去找了幫手：威廉．福勒。
對於這種不靠譜的事，福勒的內心也是拒絕的，但是經不住霍伊爾的糾纏不休，答應找找看。萬萬沒想到，這個不一般的高能級碳，還真被兩人找到了。理論和實驗都齊了，碳這裡的鏈條搭上了，後面的也都沒什麼了，他們一口氣搞定碳元素到鐵元素的邏輯鏈條。
至此，關於恆星裡面的元素合成，理論部分就準備好了。為了讓人信服，還需要實際觀測的證據，這就輪到伯比奇夫婦顯身手了：傑佛瑞．伯比奇、瑪格麗特．伯比奇。
夫婦倆通過觀測，分析恆星的光譜，探索元素在恆星中的起源，發現還真的和理論是匹配的。於是，4個人聯合發表了一篇論文。
這篇論文可能是史上最文藝的科學論文，開頭就來了一段莎士比亞的文字。他們4個人姓氏的首字母是B、B、F、H，這個理論也被稱為「B2FH理論」。
B2FH理論告訴我們，只要恆星質量足夠大，核融合反應就可以一直持續下去，直到鐵元素。
靠著一股子不服輸的勁兒，霍伊爾硬是解決了重元素起源的問題，直接補齊了宇宙大爆炸論的不足，忙活了半天，給對手做了嫁衣。
那麼，問題來了，鐵元素之後，又會發生什麼呢？還有，恆星的歸宿又是怎樣的呢？

3、恆星的歸宿
恆星的歸宿分很多情況，也很複雜，我們前面說過的3種常見的情況：
低質量恆星→白矮星
大質量恆星→中子星、黑洞
我們先從低質量恆星說起。

（1）白矮星
對於恆星來說，走到生命盡頭就是停止燃燒，也就是恆星停止了核融合反應。
恆星在停止核融合之前，會把自己的外殼向外推，在不斷膨脹的外殼下，有一個緻密的內核。
太陽的壯年時期結束後，就會膨脹起來，半徑膨脹到原來的200倍，成為一顆紅巨星。
恆星原本就是靠核融合反應來抵抗引力的，如果沒了核融合反應，就沒有能夠抵抗引力的力。於是，在引力的作用下，內核會向中心擠壓。如果沒有其他力在反抗，內核就會被壓成一個點。
在這樣危急的情況下，電子站出來扛下了所有。
要知道，電子平時沒什麼事就在原子核外圍瞎轉悠，可一遇到大事，位置最靠外的電子就會最先遭殃。
現在由於引力的擠壓，外圍電子變得老實起來，再不能閒逛了，一個一個排好隊形，這個隊形很難被破壞。
產生了一種一致對外的「無形力」， 這種「無形力」能抵抗住引力的擠壓。
電子的故事告訴我們一個道理：團結就是力量。
這種抵抗引力的「無形力」，也被叫作「電子簡併壓」。在這之前，恆星靠核反應產生的力向外抵抗引力，在這之後，就靠電子簡併壓抵抗引力了。
電子簡併壓，說的就是電子和電子之間有相互排斥的力。恆星到晚期都會因為自身引力而塌縮，電子之間的排斥力可以抵抗這種塌縮。
靠電子簡併壓與引力對抗的天體就是白矮星，由於被引力擠壓得特別狠，白矮星的密度很大，別看長得像個傻白甜，可人家是出了名的暴脾氣。太陽的宿命就是一顆白矮星。
那麼，所有的恆星最終都會變成白矮星嗎？解決這個問題的是一位來自印度的「後浪」少年：錢德拉塞卡。
他出道就和大老互撕，涉獵各個領域，跨界王者，楊振寧、李政道的老師。
他二十來歲就坐船從印度到英國去求學，船上無聊，他就開始研究：電子簡併壓的極限到底在哪裡？
小拉算出，當恆星內核質量大於太陽質量的1.44倍時，內核產生的引力就太大了，電子間的排斥力也抵抗不了，這時候內核不會形成白矮星，而是繼續塌縮。
1.44倍太陽質量後來也被稱為「錢德拉塞卡極限」，這也是白矮星的質量上限。
這麼重要的發現，眼看小拉就要出道即巔峰，可萬萬沒想到，命運跟小拉開了一個玩笑，也徹底改變了小拉的人生軌跡。
故事是這樣的：在一次會議上，小拉滿懷激情地宣讀論文，卻被當時的天文物理界權威愛丁頓當眾撕毀了論文，並嘲諷小拉的理論是錯誤的。
亞瑟．斯坦利．愛丁頓，20世紀初天文學界的扛壩子，在那個還沒有幾個人看得懂相對論的時代，這位大老就帶隊驗證了廣義相對論，並介紹給全世界。
據說記者採訪他的時候，對話是這樣的：
記者：全世界是不是只有3個人真懂相對論？
愛丁頓：我想想……
就在記者以為大老太謙虛的時候，大老毫不客氣地來了一句：我只是在想第3個人是誰？
被這樣一位大老打擊後，小拉壓力山大，到處尋找靠山和援手，但沒有人敢得罪大老，天文學家們都支援愛丁頓，物理學家們惹不起愛丁頓，他們只想看熱鬧。
小拉求助了不少物理學界的大老，其中一位叫包立，懟人懟出了「上帝之鞭」的名號，是一個把愛因斯坦懟出心理陰影的男人，可是他也不願意得罪愛丁頓。
如果說大老的打擊是單點的，那天文學界的一致不認同和物理學家們的冷漠，就是全方位、無死角的轟擊。
小拉死扛幾年後，終於放棄掙扎，此後每10年換一個研究方向，在每個研究領域都獲得了重大成就，簡直就是科學界的斜槓青年。
後來，錢德拉塞卡極限被驗證是對的，50年後，小（老）拉還獲得了諾貝爾物理學獎。
既然錢德拉塞卡極限是對的，那麼問題來了，電子扛不住引力之後，恆星不變成白矮星，又會變成什麼呢？
現在我們知道，它主要有兩個去向：
大質量恆星→中子星、黑洞
就在小拉黯然神傷的那50年歲月裡，有不少人在研究這個問題。

（2）中子星
自從中子被發現以後，就有科學家預言，可能存在完全由中子構成的天體，也就是中子星。
只不過，理論上看，中子星密度比白矮星還要大很多很多，實在是太嚇人，天文學家們再次開啟一致不認同模式。
剛好，有一個叫喬絲琳．貝爾的研究生正對著電波望遠鏡訊號發呆，她突然發現了一種有規律的訊號。
剛開始看到這些有規律的訊號時，貝爾和她的指導教授安東尼．休伊什並不知道這是什麼。
就在貝爾和教授糾結是不是外星人打招呼的時候，他們又陸續收到了3個類似的脈衝訊號。
休伊什自己都覺得腦洞太大，過意不去，嚴肅思考後，他提出了可能存在脈衝星。
脈衝星：一直在快速自轉，同時會向外發出脈衝訊號。
脈衝星後來被證實就是一種自帶旋轉「特效」的中子星。
中子星：密度比白矮星更大，脾氣更火爆，據估算，一勺中子星物質就重達10多億噸。
因為這個驚人的發現，諾貝爾委員會決定把諾貝爾獎頒給休伊什，卻沒給最初的發現者貝爾。
這就是貝爾沒有諾貝爾的故事，也是天文學家們最愛玩的梗之一。
那恆星是如何變成中子星的呢？
話說恆星停止了核融合，對外的力沒了，引力擠壓，電子的簡併壓會和引力對抗。
如果電子簡併壓也無法對抗，電子就會被壓入原子核內，和核內的質子抱團，形成中子。原子核內本來是質子和中子，電子進來後，就都變成了中子。
溫馨提醒：電子和質子相遇並不能直接轉化成中子，主要還是引力加了把勁。
中子和電子一樣，也會有排斥力，這就是中子簡併壓，它們會成群結隊地和引力對抗，使得恆星內核不再繼續被擠壓。

（3）黑洞
中子們確實很強，但是如果引力更大，它們也只能投降。投降之後，恆星又會變成什麼呢？
這就輪到下面的這位大老出場了：
羅伯特．奧本海默，美國原子彈之父。
奧本海默早年就研究過中子星，他計算出了中子簡併壓的極限，超過這個極限，中子也會扛不住。
現在科學家們認為這個極限大概是3倍太陽質量，這也被稱為「奧本海默極限」。那超過奧本海默極限會如何呢？
當時正值第二次世界大戰，奧本海默研究到一半，就跑去研究原子彈了。
如今科學家已經知道，超過奧本海默極限，中子簡併壓撐不住，天體就會變成黑洞。
黑洞：超強引力，吸光小能手，逮到什麼吃什麼的全宇宙最強吃貨。
當然，按照目前的理論，有的科學家認為，中子星和黑洞之間還存在著夸克星，只不過現在還沒有任何觀測證據。
那科學家到底是怎麼發現黑洞的呢？話說當年愛因斯坦剛搞出廣義相對論，得到重力場方程式時，他本人就覺得，這個方程式太難了，估計短時間內很難有人能解出來。
按照劇情的發展，打臉的人很快就出現了。才過了一個月，就出現了個德國物理學家：卡爾．史瓦西，物理學、天文學多棲人才。一邊參戰一邊解方程式。
卡爾．史瓦西在一戰前線，很快就得出了一個重力場方程式的精確解。他還提出，當天體被壓縮到一定程度後，光就跑不掉了。
這個被壓縮後的天體半徑也稱為史瓦西半徑。他還指出：每個大小不同的天體都有自己的史瓦西半徑。
那麼，想要光逃不出去，地球就得縮成約1元硬幣大小的球體。
對於這個結果，愛因斯坦都不敢相信，因為這種天體實在是太極端了。不僅如此，由於沒有天文觀測證實，所以，這個結果在當時並沒有引起關注。
幾十年後，一名叫克爾的科學家也拿起重力場方程式開始計算，這一算，直接求出了旋轉黑洞的精確解，從理論上證明了黑洞的存在。
再加上當時有了間接觀測到黑洞的證據，引起了科學家們的好奇，大家又紛紛開始蹭熱點，其中不乏許多科學界的大老，比如：
史蒂芬．霍金，預言了霍金輻射。
雅各布．貝肯斯坦，提出了黑洞熵公式。
李奧納特．色斯金，想窺探黑洞內部的秘密。
後來，也有科學家陸續觀測到了黑洞存在的證據。甚至科學家們動用了全球不同地區的望遠鏡設備，給已知的黑洞拍照。
至此，關於恆星的歸宿，我們就聊得差不多了。最後，我們來總結一下，恆星的歸宿主要有3種：
低質量恆星→白矮星，靠電子簡併壓抵抗引力
大質量恆星→中子星，靠中子簡併壓抵抗引力；黑洞，能吸收所有光

六、恆星真的「永恆」嗎？

前面說到，天文界拋出宇宙大爆炸後，核子物理學家就跑來蹭熱點，伽莫夫三人組蹭出了新高度，讓宇宙大爆炸論更完整。
天文學的熱點當然不止宇宙起源這一個，當時還有很多令人頭疼的問題，比如：
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……
本著蹭熱點就要大家一起蹭的初心，伽莫夫掀起的這一波潮流，吸引了許多核子物理學家加入了戰局。
恰好這些問題都需要用到核子物理學家的知識，他們手起刀落，就直接把恆星和元素的問題都解決了。
所以，這回我們就來講講科學家研究恆星的那些事。
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一、宇宙到底是什麼？
二、宇宙究竟是怎麼來的？
三、恆星的誕生→生命的可能
四、宇宙的終局，可能在於暗物質與暗能量的博弈
五、怎麼證明宇宙是大爆炸產生的？
六、恆星真的「永恆」嗎？
七、如何「看見」暗物質和暗能量？
八、人類在宇宙中的「眼睛」——探測器一覽
番外一、重力波就是你倆還沒開打，殺氣就噴了我一臉
番外二、霍金到底做了什麼？
參考書目

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三、恆星的誕生→生命的可能
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五、怎麼證明宇宙是大爆炸產生的？
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七、如何「看見」暗物質和暗能量？
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番外二、霍金到底做了什麼？
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