《一路走来的宇宙 08》

现在，宇宙有三十七万岁了。它看上去像一个膨胀的白色偏黄的光球。因为物质的引力吸引作用，膨胀速度正在放慢，降温速度也在放缓。宇宙从橙色到红色，慢慢变暗，最后逐渐消逝在可见光之外。而温度也降到六十开氏度，也就是摄氏零下两百多度。宇宙一遍黑暗而冰冷。大概人生几十年总会有消沉和挫折的时候。而人类文明也是如此。古希腊的迈锡尼王国十年征战特洛伊，然而就在胜战后的一百年里消亡了。希腊文明进入长达四百年的黑暗时期，没有文明的遗迹，直到公元前八世纪的荷马重新吟唱出特洛伊的故事。

在宇宙的黑暗寂静的背景里还是有物质的活动。气态的氢氦原子和分子从开始微小的非均匀物质分布里开始集结，形成云状。这时温度足够低，因此原子的动能低，产生的气态压强排斥不足以对抗引力的吸引。最后气态云收缩一万亿亿倍，形成了气团状的原恒星。气体在收缩的过程中温度升高，尤其是原恒星的核心内部。当温度达到一百万度时，原恒星核内的氘原子被点燃，发生聚变。原恒星核温度继续上升，到一千万度时，核心最丰富的氢原子被点燃，开始大量聚变。一颗恒星就诞生了。这时的宇宙已经又经历了漫长的一亿五千万年。黑暗的天空有一颗或者几颗恒星，像盏灯一样亮了起来。我们的宇宙开始了一个我们即熟悉又陌生的新阶段。2021年的圣诞节，美国宇航局发射了韦伯空间望远镜。它的一项重要任务就是寻找和观测宇宙第一批的恒星和星系。七个月后，韦伯空间望远调试完成，很快就发现了一些高度红移的发光源，估计是宇宙诞生后两亿三千万年形成的星系。具体数据分析正在进行中。

我们一般认为宇宙中最初始的恒星有较大或者极大的质量。以一个二十倍太阳质量的恒星作为例子。恒星核心的氢通过质子-质子链式反应聚变成氦。八百万年后，氢反应损失的千分之七的质量转换成能量。恒星核积攒为氦。氢聚变燃烧转移到核的外层。同时，核内的氦原子因为较大的质量，向里收缩，温度升高。这样更加激发氢层的燃烧，能量也传导到恒星的更外层。恒星体积迅速膨胀，成为红超巨星。此时的核心温度达到一亿度，氦原子通过三氦聚变过程形成碳和氧。通过物质的对流传递，少数的碳氧循环也参与到氢层的聚变。大约一百万年后，氦燃烧转移到外层。内核积攒的高致密的碳在温度升高到十亿度时被点燃，聚变产生氖，钠和镁等元素。这时的聚变反应加快。产生的中微子带走大量的能量。这样恒星的外部基本没有变化。一千年后，碳燃烧往外移，内核变成氖燃烧，产生镁和氧。不到一年，內核聚变又换成氧燃烧，产生硅和硫。又过了一年，内核温度上升到二三十亿度，硅被点燃。整个恒星形成了分层核燃烧的模式。只用了十来天，内核硅燃烧迅速完成一系到的元素合成聚变。恒星的内核最终变成极高致密的铁和镍。

恒星核内的铁不再进行聚变反应。相反，极高温下的高能光子将铁原子核分解成质子和中子。质子和电子在高压情况下由逆贝塔衰变合成中子，并且释放出中微子。因为光子和电子被吸收掉，恒星核的压强迅速下降，核内物质由引力吸引迅速坍缩。核内部形成一个简并态中子的硬核。整个坍缩过程只有几秒钟。坍缩的物质被简并中子核反弹，冲撞恒星的外层物质。同时质子和电子反应产生的越高密度的大量中微子也将能量倾泻到外层物质，最后造成恒星的大爆炸，将大部分物质抛洒出去。这就是II型超新星爆发。在短短几天的时间里，恒星的亮度迅速增长到太阳亮度的十亿倍。大质量恒星从形成到爆发的整个演化过程只要一千万年左右。黑空会突然间像礼花一样不断被照亮。这大概是宇宙从黑暗时期走出来的景象。1987年，我刚进大学。一颗II型超新星的爆发成为当年天文和天体物理学界的盛事。李教授在课堂上谈到它时还有些兴奋。超新星最亮时为2.9星等，裸眼可以看见。但是它出现在大麦哲伦星云，北半球不是观察区，所以大多数相关天文研究人员都去了南半球。

--写于2022年8月24日（图片来自网络）