《一路走來的宇宙 08》

現在，宇宙有三十七萬歲了。它看上去像一個膨脹的白色偏黃的光球。因為物質的引力吸引作用，膨脹速度正在放慢，降溫速度也在放緩。宇宙從橙色到紅色，慢慢變暗，最後逐漸消逝在可見光之外。而溫度也降到六十開氏度，也就是攝氏零下兩百多度。宇宙一遍黑暗而冰冷。大概人生幾十年總會有消沉和挫折的時候。而人類文明也是如此。古希臘的邁錫尼王國十年征戰特洛伊，然而就在勝戰後的一百年裏消亡了。希臘文明進入長達四百年的黑暗時期，沒有文明的遺跡，直到公元前八世紀的荷馬重新吟唱出特洛伊的故事。

在宇宙的黑暗寂靜的背景裏還是有物質的活動。氣態的氫氦原子和分子從開始微小的非均勻物質分布裏開始集結，形成雲狀。這時溫度足夠低，因此原子的動能低，產生的氣態壓強排斥不足以對抗引力的吸引。最後氣態雲收縮一萬億億倍，形成了氣團狀的原恒星。氣體在收縮的過程中溫度升高，尤其是原恒星的核心內部。當溫度達到一百萬度時，原恒星核內的氘原子被點燃，發生聚變。原恒星核溫度繼續上升，到一千萬度時，核心最豐富的氫原子被點燃，開始大量聚變。一顆恒星就誕生了。這時的宇宙已經又經曆了漫長的一億五千萬年。黑暗的天空有一顆或者幾顆恒星，像盞燈一樣亮了起來。我們的宇宙開始了一個我們即熟悉又陌生的新階段。2021年的聖誕節，美國宇航局發射了韋伯空間望遠鏡。它的一項重要任務就是尋找和觀測宇宙第一批的恒星和星係。七個月後，韋伯空間望遠調試完成，很快就發現了一些高度紅移的發光源，估計是宇宙誕生後兩億三千萬年形成的星係。具體數據分析正在進行中。

我們一般認為宇宙中最初始的恒星有較大或者極大的質量。以一個二十倍太陽質量的恒星作為例子。恒星核心的氫通過質子-質子鏈式反應聚變成氦。八百萬年後，氫反應損失的千分之七的質量轉換成能量。恒星核積攢為氦。氫聚變燃燒轉移到核的外層。同時，核內的氦原子因為較大的質量，向裏收縮，溫度升高。這樣更加激發氫層的燃燒，能量也傳導到恒星的更外層。恒星體積迅速膨脹，成為紅超巨星。此時的核心溫度達到一億度，氦原子通過三氦聚變過程形成碳和氧。通過物質的對流傳遞，少數的碳氧循環也參與到氫層的聚變。大約一百萬年後，氦燃燒轉移到外層。內核積攢的高致密的碳在溫度升高到十億度時被點燃，聚變產生氖，鈉和鎂等元素。這時的聚變反應加快。產生的中微子帶走大量的能量。這樣恒星的外部基本沒有變化。一千年後，碳燃燒往外移，內核變成氖燃燒，產生鎂和氧。不到一年，內核聚變又換成氧燃燒，產生矽和硫。又過了一年，內核溫度上升到二三十億度，矽被點燃。整個恒星形成了分層核燃燒的模式。隻用了十來天，內核矽燃燒迅速完成一係到的元素合成聚變。恒星的內核最終變成極高致密的鐵和鎳。

恒星核內的鐵不再進行聚變反應。相反，極高溫下的高能光子將鐵原子核分解成質子和中子。質子和電子在高壓情況下由逆貝塔衰變合成中子，並且釋放出中微子。因為光子和電子被吸收掉，恒星核的壓強迅速下降，核內物質由引力吸引迅速坍縮。核內部形成一個簡並態中子的硬核。整個坍縮過程隻有幾秒鍾。坍縮的物質被簡並中子核反彈，衝撞恒星的外層物質。同時質子和電子反應產生的越高密度的大量中微子也將能量傾瀉到外層物質，最後造成恒星的大爆炸，將大部分物質拋灑出去。這就是II型超新星爆發。在短短幾天的時間裏，恒星的亮度迅速增長到太陽亮度的十億倍。大質量恒星從形成到爆發的整個演化過程隻要一千萬年左右。黑空會突然間像禮花一樣不斷被照亮。這大概是宇宙從黑暗時期走出來的景象。1987年，我剛進大學。一顆II型超新星的爆發成為當年天文和天體物理學界的盛事。李教授在課堂上談到它時還有些興奮。超新星最亮時為2.9星等，裸眼可以看見。但是它出現在大麥哲倫星雲，北半球不是觀察區，所以大多數相關天文研究人員都去了南半球。

--寫於2022年8月24日（圖片來自網絡）