数论人生

数论是一门学科,也是我的人生。有人把酒论英雄,我用数字描天下。
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星系的起源和演变

(2021-12-02 09:26:25) 下一个

一个宇宙空间其实不空,而是充满了物质和能量;物质与能量之比大约为一比三。物质是能量运动受阻的躺平,能量是永恒流动的基因。能量,我们看不见,但是摸得着;它有各种不同的体现方式:力,电,热,波。物质和能量在空间中的分布并不均匀,其分布规律未知;我们也许可以通过观测自身周围的情况,来推知整个宇宙的情况。

人类最初通过光来了解世界,自然对明亮的星星充满了期待【地球人的存在也是拜太阳光所赐】。一颗恒星相对于一个宇宙,就如同一粒尘埃相较于一个人眼前所能看见的范围,而他脑后还有一个镜像世界。一颗恒星,自有一个时光锥(time Cone);它的引力子所能到达的范围,就叫星晕(或者星罩):它是星系内所有天体运动的准曲面,如同圆锥曲线的准线一样。

 

星系形成的故事是这样的:在宇宙里,原子和离子的分布极为稀薄【每升数十个简单的原子和离子而已】,维系其存在的能量也极少,温度只有−260到−250摄氏度左右【人类观测到的最低自然温度是−270度】;在如此低温里,原子都凝结成了分子,形成分子云。分子云里包含氢、氦、离子化的气体、尘埃【碳、氧等】,甚至构成生命要素的氨基酸;分子云巨大无比,形状各异,有的甚至没有一个固定的边界。

分子云可以静静地浮在那里千百万年。猛然间,一只上帝之手搅动了它,让它变得分布不均,导致一系列事件的发生。这只上帝之手,可能是与其它分子云的碰撞,可能是附近超新星爆炸的冲击波,亦或是星系内部的压力。结果就是:有的区域变得如此稠密,引力成了控制因素,稠密区域开始吸引周围区域的物质和能量。

当分子云的密度达到一定程度时,自身重力开始显现。当分子间的压力不足以支撑其重量时,内部开始塌陷,分裂成无数个碎块(cloud fragments)。这些碎块的质量不大也不小,约为10到50个太阳质量;太大的,还会再分裂;太小的不可能,因为引力会受到分子间压力的制衡。

这些质量适中的碎云块,内部依然有着引力与压力的较量。有质量的存在,就有向质量中心聚集的趋势;一个物体的质量越大,引力就越强,吸引的物质就越多;周围物质的势能变为动能,向着质量中心飞奔、撞击,动能转化成了热能,导致温度升高,形成原始星【Protostar】,成为可见的物体;从不可见到可见,需要经过数千万年。

这些原始星也只不过是一个短暂的现像。由于中心高温,原来的分子云开始翻腾,这一旋转带动着原始星以及掉落的物体,旋转的物质开始变得扁平;久而久之,一圈厚厚的气体、尘埃便在原始星的周围形成。随着落入的物质越来越多,温度急剧升高,氢原子核被挤压在一起,核聚变反应(nuclear fusion)就开始了;原始星开始向外辐射出光、热、波,一颗新星诞生了。

恒星也是一个膨胀与收缩不断较量的过程:核反应产生的热气压把物质喷向空中,重力便占主导,迫使它收缩;结果又让压力、温度升高,再次膨胀喷射;如此不断反复,直到气压与重力达到暂时平衡,从而形成一个稳定发光的恒星。

一个小的星云,所含物质可能只够形成一颗恒星,在宇宙里孤独而行;大一点的星云,会产生双子星;更大的星云会同时产生数百颗恒星。比如,肉眼可见的有七仙女:在金牛座(Taurus)里的Pleiades星团,有七颗明亮的星星,它们在7千5百万年之前形成;而在半人马(Centaurus)星座里,至少有一百万颗恒星,它的宽度达180光年。

众多恒星再聚集成为星系(比如我们所处的银河系)。各恒星之间,既有引力,也有斥力(力式中的那个线性项);在星系的中心,那些吸引了超大质量的恒星,经过多次的碰撞、合并,就形成了黑洞。它们是星系的发动机,引领着本星系,与其它星系,构成了一个宇宙的永恒。

 

在早期,恒星从两极放射出粒子,形成星际风暴,把物质吹开;这一喷射过程持续数千年。在恒星的赤道周围的那圈厚厚的气体、尘埃,因为旋转,逐渐越来越薄,成为盘状;里圈是岩石,外圈是结成冰的气体。盘中物质粘结成块,在绕恒星转动的同时,扫尽周围物质,变得越来越大;较大的块,又吸来更多的物质,大鱼吞小鱼,雪球越滚越大。小行星便形成了。

成百上千个小行星同时形成,不可避免地要发生碰撞;碎片撒满在轨道上,再由小到大聚集。经过数百万年的、数不清的遭遇与合并,最终形成少数几个行星,它们吞尽了轨道上的所有物质,各自的轨道不再碰撞,一个成熟的行星系统就形成了。

一颗行星的运动轨道,遵循开普勒(Kepler)的三定律:这其实可以从牛顿的万有引力定律推导而出;但是,牛顿漏掉了力式中的一个线性项,从而无法解释轨道的偏移现像。在行星轨道的周围,还有五个拉格郎日点:陷入这些位置的天体,它相对于恒星和行星就不再动了!

恒星和系内行星就如同被一根看不见的履带绑在了一起。组成履带的粒子,就是引力子。它们的漂移速度,由恒星自转的速度、以及行星自转的速度确定:两个天体的自转速度也与此相关。引力子不是虚拟的,只不过它们以超光速运动,人类光测不到;而神—人上层的生灵是可以灵测到的。

 

一颗恒星,有大有小,有明有暗;是其质量决定了它能发光多久。有小到太阳十分之一质量的恒星,但不能再小,因为没有足够的质量,产生不了核反应所需要的热和压力;那些质量过小的聚集体,不能称之为恒星,而被叫作矮星。

恒星的质量决定其表面温度,小恒星为3千度左右,大恒星可达3万度。温度又决定了它的颜色。看看一块被熔炼的铁就知道:随着温度的升高,其颜色由暗到红,再到橙色,黄色,白色,蓝色。恒星也是如此,小的是红矮星,中等的如我们的太阳,是黄矮星;大的则是蓝巨星。

恒星发出的光包含了它的全部信息。通过光谱分析,我们可以得知它的组成成分,因为不同的元素吸收不同波长的光;也可以知道它的表面温度、密度、磁场大小、旋转速度,是离我们而去,还是朝我们走来。

 

发光的恒星是引力与斥力斗争的高潮,但是不会永远持续下去。核反应把氢变成氦,每秒钟用掉几百万吨!质量如太阳般大小的恒星,可以维持一百亿年。氢用尽后,核反应停止,内核里只剩下了氦;引力又成了支配因素,坍塌重新开始,内核的温度、压力再升高,外层物质被点燃,急剧扩散,直径达到原来的几十倍;由于大面积的辐射,表面温度下降,颜色成了红色,一个红巨星诞生了。

在红巨星的内核,温度飚升到了一亿度,以氦作为原料的核反应就爆发了:两个氦原子核(Alpha粒子)聚变成为一个不稳定的beryllium原子核,在于第三个氦原子核相撞,形成一个碳原子;若有第四个氦原子核来聚变,则成了氧原子。这样,最里层是碳和氧在聚集,中间是氦在聚变,外层则是氢在燃烧。里面的热经传导流至表面,也把碳、养带到表面;物质在外层凝聚,形成黑烟状的尘埃;久而久之,这些表面气体以星际风暴脱离大气层,进入太空;恒星周期性的涨缩更加剧了这一过程,让它像脉搏跳动般的忽明忽暗,这就有了变星的出现。

当氦聚变结束后,普通质量(低于3倍太阳质量)的红巨星产生不了让碳、氧进行核聚变的高温,只有重力坍塌、高温;超热的核把物质喷向空中,连续的物质波浪形成扩展的壳(shells), X射线、紫外线将喷出的气体激化(离子化),壳变得异常的明亮【猫眼就是最美丽的例子】。

这时的红巨星坍塌成了白矮星,表面温度达20万度,密度达每升数吨,因为组成物质已经不再是普通元素:电子都已经被挤压到紧贴着原子核;而电子之间的排斥力阻止了进一步收缩。但如果核的质量在1.4倍到3倍于太阳质量,引力将克服电子间的斥力,引起进一步收缩。随着能量的辐射,白矮星慢慢冷却、变暗,最终变成黑矮星,从宇宙的视频里消失。

对于质量更大的恒星,当氦聚变结束后,其核的高温可以让碳、氧再发生核聚变,产生氖(Neon)、镁(magnesium)、硅(silicon)、硫(sulfur)等重元素;这些元素再进行核聚变,最终生成稳定的铁(iron)。重元素都是这么炼出来的,后来再进入到生命进程中。

当超级巨星的核都变成铁后,巨大的质量使它迅速坍塌;释放的能量是如此巨大,整个巨星都被炸得粉碎,超新星爆发!内核出现了比铁更重的元素,外层物质则成为星云,为下一轮新星的诞生播种。

超星爆发后,如果核的质量3倍于太阳质量,它将变为中子星(脉冲星)。坍塌之力如此强大,把电子都挤进了原子核,与质子结合成了中子。它只有20km之广,质量却是太阳的三倍,密度之大,超乎想像。它以每秒数周到几百周的速度旋转,强大的磁场也跟着旋转;能量以射线的形式扫过太空,成了准确的脉冲信号。

超星爆发后,如果核的质量大于3倍太阳质量,它将变为黑洞,从可观察的宇宙里消失。黑洞的半径只有数公里,质量却大得吓人;那里究竟在发生什么,我们无法探知;它最终的结局是什么,我们无法想像。有理论说,它将收缩成为一个奇点—密度为无穷大的一个点。

 

在一个星系内部,每颗恒星都有自己的空间范围(星晕)和时间范围(从开始发光的时刻到光熄灭的时刻)。相互之间的引力让它们维系在本星系内;星罩(准曲面)反射的引力,产生一种类似于电与磁般的感应,感应场与引力场的交互作用,形成了引力波。正是星系内的引力波,保证了各恒星之间的距离;而在各星系之间,保持了一个宇宙的扩散、膨胀。各平行宇宙之间,也是遵循同样的道理膨胀着。

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lurenjia2014 回复 悄悄话 据说松果体如果被激活,能够让人类不说话就能用telepathy来交流。那这种telepathy是不是也是一种能量?这种能量不是电磁波,是一种人类还不知道的能量。
lurenjia2014 回复 悄悄话 那比铁更重的元素,是什么时候产生的?恒星爆炸成中子星的时候?地球上的金子,铀235,是哪里来的?太阳爆炸来的?附近的恒星爆炸来的?我们的太阳系的太阳太小,其它星系的100倍太阳大小的恒星,爆炸的时候是不是会产生地球上没有的重元素?
回复 悄悄话 世界分三部分,已知,未知但可知,不可知。
或已知总是有限的, 未知是无限的,
老歌好听 回复 悄悄话 "引力子不是虚拟的,只不过它们以超光速运动" 哈哈,你怎么知道的?
longbridge 回复 悄悄话 一篇很好的深入浅出的科普文章,谢谢分享。浩瀚的宇宙充满了无数深奥的秘密,至今无解。有神论者认为一切都是上帝的旨意。
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