星係的起源和演變

數論是一門學科,也是我的人生。有人把酒論英雄,我用數字描天下。
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一個宇宙空間其實不空,而是充滿了物質和能量;物質與能量之比大約為一比三。物質是能量運動受阻的躺平,能量是永恒流動的基因。能量,我們看不見,但是摸得著;它有各種不同的體現方式:力,電,熱,波。物質和能量在空間中的分布並不均勻,其分布規律未知;我們也許可以通過觀測自身周圍的情況,來推知整個宇宙的情況。

人類最初通過光來了解世界,自然對明亮的星星充滿了期待【地球人的存在也是拜太陽光所賜】。一顆恒星相對於一個宇宙,就如同一粒塵埃相較於一個人眼前所能看見的範圍,而他腦後還有一個鏡像世界。一顆恒星,自有一個時光錐(time Cone);它的引力子所能到達的範圍,就叫星暈(或者星罩):它是星係內所有天體運動的準曲麵,如同圓錐曲線的準線一樣。

 

星係形成的故事是這樣的:在宇宙裏,原子和離子的分布極為稀薄【每升數十個簡單的原子和離子而已】,維係其存在的能量也極少,溫度隻有−260到−250攝氏度左右【人類觀測到的最低自然溫度是−270度】;在如此低溫裏,原子都凝結成了分子,形成分子雲。分子雲裏包含氫、氦、離子化的氣體、塵埃【碳、氧等】,甚至構成生命要素的氨基酸;分子雲巨大無比,形狀各異,有的甚至沒有一個固定的邊界。

分子雲可以靜靜地浮在那裏千百萬年。猛然間,一隻上帝之手攪動了它,讓它變得分布不均,導致一係列事件的發生。這隻上帝之手,可能是與其它分子雲的碰撞,可能是附近超新星爆炸的衝擊波,亦或是星係內部的壓力。結果就是:有的區域變得如此稠密,引力成了控製因素,稠密區域開始吸引周圍區域的物質和能量。

當分子雲的密度達到一定程度時,自身重力開始顯現。當分子間的壓力不足以支撐其重量時,內部開始塌陷,分裂成無數個碎塊(cloud fragments)。這些碎塊的質量不大也不小,約為10到50個太陽質量;太大的,還會再分裂;太小的不可能,因為引力會受到分子間壓力的製衡。

這些質量適中的碎雲塊,內部依然有著引力與壓力的較量。有質量的存在,就有向質量中心聚集的趨勢;一個物體的質量越大,引力就越強,吸引的物質就越多;周圍物質的勢能變為動能,向著質量中心飛奔、撞擊,動能轉化成了熱能,導致溫度升高,形成原始星【Protostar】,成為可見的物體;從不可見到可見,需要經過數千萬年。

這些原始星也隻不過是一個短暫的現像。由於中心高溫,原來的分子雲開始翻騰,這一旋轉帶動著原始星以及掉落的物體,旋轉的物質開始變得扁平;久而久之,一圈厚厚的氣體、塵埃便在原始星的周圍形成。隨著落入的物質越來越多,溫度急劇升高,氫原子核被擠壓在一起,核聚變反應(nuclear fusion)就開始了;原始星開始向外輻射出光、熱、波,一顆新星誕生了。

恒星也是一個膨脹與收縮不斷較量的過程:核反應產生的熱氣壓把物質噴向空中,重力便占主導,迫使它收縮;結果又讓壓力、溫度升高,再次膨脹噴射;如此不斷反複,直到氣壓與重力達到暫時平衡,從而形成一個穩定發光的恒星。

一個小的星雲,所含物質可能隻夠形成一顆恒星,在宇宙裏孤獨而行;大一點的星雲,會產生雙子星;更大的星雲會同時產生數百顆恒星。比如,肉眼可見的有七仙女:在金牛座(Taurus)裏的Pleiades星團,有七顆明亮的星星,它們在7千5百萬年之前形成;而在半人馬(Centaurus)星座裏,至少有一百萬顆恒星,它的寬度達180光年。

眾多恒星再聚集成為星係(比如我們所處的銀河係)。各恒星之間,既有引力,也有斥力(力式中的那個線性項);在星係的中心,那些吸引了超大質量的恒星,經過多次的碰撞、合並,就形成了黑洞。它們是星係的發動機,引領著本星係,與其它星係,構成了一個宇宙的永恒。

 

在早期,恒星從兩極放射出粒子,形成星際風暴,把物質吹開;這一噴射過程持續數千年。在恒星的赤道周圍的那圈厚厚的氣體、塵埃,因為旋轉,逐漸越來越薄,成為盤狀;裏圈是岩石,外圈是結成冰的氣體。盤中物質粘結成塊,在繞恒星轉動的同時,掃盡周圍物質,變得越來越大;較大的塊,又吸來更多的物質,大魚吞小魚,雪球越滾越大。小行星便形成了。

成百上千個小行星同時形成,不可避免地要發生碰撞;碎片撒滿在軌道上,再由小到大聚集。經過數百萬年的、數不清的遭遇與合並,最終形成少數幾個行星,它們吞盡了軌道上的所有物質,各自的軌道不再碰撞,一個成熟的行星係統就形成了。

一顆行星的運動軌道,遵循開普勒(Kepler)的三定律:這其實可以從牛頓的萬有引力定律推導而出;但是,牛頓漏掉了力式中的一個線性項,從而無法解釋軌道的偏移現像。在行星軌道的周圍,還有五個拉格郎日點:陷入這些位置的天體,它相對於恒星和行星就不再動了!

恒星和係內行星就如同被一根看不見的履帶綁在了一起。組成履帶的粒子,就是引力子。它們的漂移速度,由恒星自轉的速度、以及行星自轉的速度確定:兩個天體的自轉速度也與此相關。引力子不是虛擬的,隻不過它們以超光速運動,人類光測不到;而神—人上層的生靈是可以靈測到的。

 

一顆恒星,有大有小,有明有暗;是其質量決定了它能發光多久。有小到太陽十分之一質量的恒星,但不能再小,因為沒有足夠的質量,產生不了核反應所需要的熱和壓力;那些質量過小的聚集體,不能稱之為恒星,而被叫作矮星。

恒星的質量決定其表麵溫度,小恒星為3千度左右,大恒星可達3萬度。溫度又決定了它的顏色。看看一塊被熔煉的鐵就知道:隨著溫度的升高,其顏色由暗到紅,再到橙色,黃色,白色,藍色。恒星也是如此,小的是紅矮星,中等的如我們的太陽,是黃矮星;大的則是藍巨星。

恒星發出的光包含了它的全部信息。通過光譜分析,我們可以得知它的組成成分,因為不同的元素吸收不同波長的光;也可以知道它的表麵溫度、密度、磁場大小、旋轉速度,是離我們而去,還是朝我們走來。

 

發光的恒星是引力與斥力鬥爭的高潮,但是不會永遠持續下去。核反應把氫變成氦,每秒鍾用掉幾百萬噸!質量如太陽般大小的恒星,可以維持一百億年。氫用盡後,核反應停止,內核裏隻剩下了氦;引力又成了支配因素,坍塌重新開始,內核的溫度、壓力再升高,外層物質被點燃,急劇擴散,直徑達到原來的幾十倍;由於大麵積的輻射,表麵溫度下降,顏色成了紅色,一個紅巨星誕生了。

在紅巨星的內核,溫度飆升到了一億度,以氦作為原料的核反應就爆發了:兩個氦原子核(Alpha粒子)聚變成為一個不穩定的beryllium原子核,在於第三個氦原子核相撞,形成一個碳原子;若有第四個氦原子核來聚變,則成了氧原子。這樣,最裏層是碳和氧在聚集,中間是氦在聚變,外層則是氫在燃燒。裏麵的熱經傳導流至表麵,也把碳、養帶到表麵;物質在外層凝聚,形成黑煙狀的塵埃;久而久之,這些表麵氣體以星際風暴脫離大氣層,進入太空;恒星周期性的漲縮更加劇了這一過程,讓它像脈搏跳動般的忽明忽暗,這就有了變星的出現。

當氦聚變結束後,普通質量(低於3倍太陽質量)的紅巨星產生不了讓碳、氧進行核聚變的高溫,隻有重力坍塌、高溫;超熱的核把物質噴向空中,連續的物質波浪形成擴展的殼(shells), X射線、紫外線將噴出的氣體激化(離子化),殼變得異常的明亮【貓眼就是最美麗的例子】。

這時的紅巨星坍塌成了白矮星,表麵溫度達20萬度,密度達每升數噸,因為組成物質已經不再是普通元素:電子都已經被擠壓到緊貼著原子核;而電子之間的排斥力阻止了進一步收縮。但如果核的質量在1.4倍到3倍於太陽質量,引力將克服電子間的斥力,引起進一步收縮。隨著能量的輻射,白矮星慢慢冷卻、變暗,最終變成黑矮星,從宇宙的視頻裏消失。

對於質量更大的恒星,當氦聚變結束後,其核的高溫可以讓碳、氧再發生核聚變,產生氖(Neon)、鎂(magnesium)、矽(silicon)、硫(sulfur)等重元素;這些元素再進行核聚變,最終生成穩定的鐵(iron)。重元素都是這麽煉出來的,後來再進入到生命進程中。

當超級巨星的核都變成鐵後,巨大的質量使它迅速坍塌;釋放的能量是如此巨大,整個巨星都被炸得粉碎,超新星爆發!內核出現了比鐵更重的元素,外層物質則成為星雲,為下一輪新星的誕生播種。

超星爆發後,如果核的質量3倍於太陽質量,它將變為中子星(脈衝星)。坍塌之力如此強大,把電子都擠進了原子核,與質子結合成了中子。它隻有20km之廣,質量卻是太陽的三倍,密度之大,超乎想像。它以每秒數周到幾百周的速度旋轉,強大的磁場也跟著旋轉;能量以射線的形式掃過太空,成了準確的脈衝信號。

超星爆發後,如果核的質量大於3倍太陽質量,它將變為黑洞,從可觀察的宇宙裏消失。黑洞的半徑隻有數公裏,質量卻大得嚇人;那裏究竟在發生什麽,我們無法探知;它最終的結局是什麽,我們無法想像。有理論說,它將收縮成為一個奇點—密度為無窮大的一個點。

 

在一個星係內部,每顆恒星都有自己的空間範圍(星暈)和時間範圍(從開始發光的時刻到光熄滅的時刻)。相互之間的引力讓它們維係在本星係內;星罩(準曲麵)反射的引力,產生一種類似於電與磁般的感應,感應場與引力場的交互作用,形成了引力波。正是星係內的引力波,保證了各恒星之間的距離;而在各星係之間,保持了一個宇宙的擴散、膨脹。各平行宇宙之間,也是遵循同樣的道理膨脹著。

lurenjia2014 發表評論於
據說鬆果體如果被激活,能夠讓人類不說話就能用telepathy來交流。那這種telepathy是不是也是一種能量?這種能量不是電磁波,是一種人類還不知道的能量。
lurenjia2014 發表評論於
那比鐵更重的元素,是什麽時候產生的?恒星爆炸成中子星的時候?地球上的金子,鈾235,是哪裏來的?太陽爆炸來的?附近的恒星爆炸來的?我們的太陽係的太陽太小,其它星係的100倍太陽大小的恒星,爆炸的時候是不是會產生地球上沒有的重元素?
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世界分三部分,已知,未知但可知,不可知。
或已知總是有限的, 未知是無限的,
老歌好聽 發表評論於
"引力子不是虛擬的,隻不過它們以超光速運動" 哈哈,你怎麽知道的?
longbridge 發表評論於
一篇很好的深入淺出的科普文章,謝謝分享。浩瀚的宇宙充滿了無數深奧的秘密,至今無解。有神論者認為一切都是上帝的旨意。
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