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第6章 星球之谜(5)

早在1943年,汤博在黄道附近一个很宽的天区内搜寻时就认为,在离日距离120天文单位(1个天文单位是1.5亿公里)以内不会再有比地球更大的行星。现在,人们完全可以不借助于已知行星的偏移来寻找新的行星,而直接借助于更先进的工具——空间探测器就可以了。20世纪70年代,人们向太阳系外层空间先后发射了4艘空间探测器。“先驱者”10号和11号是最早发射的。根据两艘探测器发回的材料,人们没有找到有关第十颗行星存在的证据。后来美国又发射了“旅行者”1号和2号空间探测器。遗憾的是这两艘探测器同“先驱者”11号飞行的方向是一致的,因而也没有提供第十颗行星存在的任何信息。但是,这并未使天文学探索的脚步有任何停顿。

美国海军天文台的天文学家罗伯特哈林顿,仍试图利用偏移来确定第十颗行星的位置。1978年,他提出关于第十颗太阳行星的比较系统的说法。他经过研究认为,这颗行星的质量是地球的2~3倍,比地球大,比天王星和海王星小。它的距离非常遥远,离太阳平均距离大约150亿公里,单轨道运行需要1千年。这颗行星因为轨道长,所以变化大,近日点为90亿公里,远日点为210亿公里。这颗行星曾经在18世纪末到达近日点,而现在正远离我们而行。它的轨道与太阳系平面的倾角为30°位于南部天空,可能在南十字星座附近的半人马星座。

哈林顿还对这颗行星的形成进行了分析。他认为,这颗行星在很久以前曾与海王星相撞过。

当时,海王星的两颗卫星以及冥王星都以正常的圆形轨道绕海王星运转。由于两颗行星的相撞,颠倒了“海卫一”的轨道,使它绕海王星逆行;碰撞还拉长了“海卫二”的轨道,使它沿着极扁的轨道运行;同时,撞击还把冥王星从海王星那里“抛”了出来,使其实现“独立”,并晋级升格为绕太阳运行的大行星。

自从哈林顿公布有关第十颗行星的预言,后来又出现了两种不同的预言。一是美国亚拉巴马州的康利鲍威尔,他认为第十颗行星的位置应该在室女宫,其质量比地球小,与太阳距离跟冥王星差不多。巴西天文学家罗德尼戈梅斯和西尔维奥费拉兹一梅洛认为,这颗行星可能位于巨蟹宫或双子宫。

但是,流行的另一观点认为,太阳系里压根儿就不再有什么“未知行星”。天王星和海王星的运动偏离是可以另辟蹊径予以说明的。譬如说彗星总体质量可能大到足以产生同样的效果;在海王星不远处,可能有一个小黑洞;引力定律本身需要修改,等等。有人甚至干脆否认天王星和海王星的运动有真实的偏离,他们认为过去总说有“偏离”,那实际上是人们的观测资料不精确的缘故。

太阳系里是否存在第十颗大行星——X行星,到目前还是一个不解之谜。自天王星发现后,也许真如俗话说的,有再一、再二,没有再三、再四。但不少人希望仍是有的,因为天体力学证明,即使有颗行星位于离太阳600个天文单位处,它仍可能是太阳系的成员,只不过随着距离的增大,搜寻新的大行星是越来越困难了。

科学的历史告诉人们:科学的猜测和预见固然必不可少,但一切科学发现都有一个共性:它必须有确实可靠的证据,有铁证如山的事实。的确也有人煞有介事地宣称自己确实“发现”了冥外行星,但最后还是经不起科学的验证,最终被否定了。

探索太阳命运

太阳如一团熊熊燃烧的火焰,给人类带来光明与温暖,勇气和希望。地球上一切活动的能量,几乎都源自太阳;如果没有太阳,黑暗、严寒会吞噬整个地球,我们美丽的家园将变成死寂的世界。太阳无比灿烂的光彩,还激发人类丰富的想象能力,以致他们曾经把它当作神来崇拜。举世闻名的埃及吉萨地区的金字塔,每当春分这一天,它们的一个底边刚好指向太阳升起的地方;希腊神话中太阳神阿波罗的名字,被用来命名现代航空飞行器;古代各国的帝王们,更是把太阳看作至高无上、君临天下的象征。

宇宙中,太阳是距地球最近的恒星,日地距离只有1.5亿公里。太阳的直径大约为139.2万公里,是地球直径的109倍;太阳体积为地球的130万倍,而质量比地球大33万倍。太阳主要由氢、氦等物质构成,其中氢占73.5%,氦占25%其他成分如碳、氮、氧等,只占太阳物质构成的1.5%。太阳核心的温度高达1500万至2000万K,每秒钟有6亿多吨的氢在那里聚变为氦;在这一过程中,每四个氢原子核聚变为一个氦原子核,而每产生一个氦原子,太阳就向外辐射一小部分能量。地球植物的光合作用,煤、石油等矿藏的形成,大气循环、海水蒸发、云雨生成等等,这一切都离不开太阳的活动。10亿年来,地球的温度变化范围很小,不超过2(TC,这说明太阳的活动基本稳定,也为生命的孕育、演化提供了极好的条件。

到目前,太阳上的氢聚变反应已进行了几十亿年,有人担心太阳的能量总有一天会耗尽。的确,太阳的能量并非取之不尽,用之不完。如果氢不断减少,氦不断产生,未来的太阳会变成什么样?

根据恒星演化理论,从恒星中心核内的氢开始燃烧到它们全部生成氦,这一过程叫做“主星序阶段”。处于主星序阶段上的恒星称之为“主序星不同恒星体在主星序中存在的时间是不同的,这主要取决于该恒星体的质量。天文学家爱丁顿发现:质量越大的恒星体,它为抗衡万有引力而产生的热量也越多;产生热量越多,则星体膨胀速度越快;相应地,它留在主星序中的时间便越短。拿太阳来说,它和众多的恒星一样,目前正处于主星序阶段。根据科学家计算,太阳可在主星序阶段停留100亿年左右;而目前它处于主星序阶段上已46亿年了。质量比太阳大15倍的恒星只能停留1000万年,质量为太阳质量五分之一的恒星则能存在10亿年之久。

当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段,步人老年时,会首先界变成一颗“红巨星”。之所以称为“巨星”,因为它的体积巨大,在这一阶段,恒星将膨胀到比原来体积大十亿多倍的程度;称它“红”巨星,因为在恒星迅速膨胀的同时,其外表面离中心越来越远。温度随之降低,发出的光也越来越偏红。尽管温度降低,红巨星的光度却变得很大,看上去极为明亮。目前人类肉眼看到的亮星中,有许多都是红巨星。现在,我们最熟悉的一颗红巨星是猎(户星座的“参宿四”,其直径达11亿公里,为太阳直径的800倍。若“参宿四”在太阳的位置发光,红光会遍及整个太阳系。

从“主序星”衰变成“红巨星”,变化不仅仅是外在的,恒星的内核也发生了很大变化——从“氢核”变成了“氦核”。我们已经知道,恒星依靠其内部的热核聚变而熊熊燃烧着,核聚变的结果是每四个氢原子核结合成一个氦原子核;在这个过程中恒星释放出大量原子能并形成辐射压,辐射压与恒星自身聚收缩的引力相平衡。而当恒星中心区的氢消耗殆尽,形成由氦构成的氦核之后,氢聚变的热核反应便无法在中心区继续进行。此时引力重压没有辐射压来平衡,星体中心区会被压缩,温度随之急剧上升。恒星中心的氦核球温度升高后,紧贴它的那一层氢氦混合气体相应受热,达到引发氢聚变的温度,热核反应便重新开始。于是,氦核逐渐增大,氢燃烧层也随之向外扩展(恒星星体外层物质受热膨胀,就是它开始向红巨星或红超巨星转化的过程)。转化中,氢燃烧层产生的能量可能比主序星时期还要多,但星体表面温度不仅不会升高反而会下降。原因在于:外层膨胀后受到的内聚引力减小,即使温度降低,其膨胀压力仍可抗衡或超过引力,此时星体半径和5表面积增大的程度超过产能率的增长,因此总光度可能增长,表面温度却将下降。质量比太阳大4倍的大恒星在氦核外重新引发氢聚变时,核外放出的能量未明显增加,半径却增大了好几倍,因此恒星的表面温度由几万降到三四千K,成为红超巨星。质量比太阳小4倍的中小恒星进入红巨星阶段时表面温度下降,光度也将急剧增加’这是它们的外层膨胀消耗的能量较少而产能较多的缘故。

红巨星一旦形成,就会朝恒星演化的下一阶段——“白矮星”进发。当外“部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力将强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过1亿度,从而点燃氦聚变。经过几百万年,氦核也燃烧殆尽,而恒星的外壳仍然是以氢为主的混合物。如此,恒星结构比以前复杂了氢混合物外壳下面会有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。这样,恒星体;(红巨星阶段)的核反应过程将变得更加复杂。其中心附近的温度继续上升,’最终使碳转变为其他元素。与此同时,红巨星外部也开始发生不稳定的脉动振荡:恒星半径时而变大,时而缩小,稳定的主星序恒星将变成极不稳定的巨大火球。火球内部的核反应也会越来越趋于不稳定,忽强忽弱。此时,恒星内部核心的密度实际上已增大到每立方厘米10吨左右,可以说,在红巨星内部已经诞生了一颗白矮星。

白矮星是一种很特殊的天体,它体积小、亮度低、质量大、密度高。比如天狼星伴星(它是最早被发现的白矮星),体积比地球大不了多少,但质量却和太阳差不多!也就是说,它的密度为1000万吨/立方米左右。根据自矮星的半径和质量,可算出它的表面重力等于地球表面重力的1000万~10亿倍。在这样高的压力下,任何物体都将不复存在,连原子都会被压碎;电子也将脱离原子轨道变成自由电子。

白矮星的密度为什么这样大?我们知道,原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为一亿分之一厘米,而氢原子核的半径只有十万亿分之一厘米。打个比方,假如原子核的大小如一颗玻璃球,那么电子轨道将在2公里以外。而在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电灵了子。这种自由电子气体会尽可能地占据原子核之间的空隙,臓单位空间内包含的物质大大增多,密度大大提高。形象地说,此时原子核是“沉浸于”电芋中的,没有了原先与电子的“秩序”和“距离”,科学上一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,一定时间内维持着白矮星的稳定;可是当白矮星质量进一步增大,简并电子气体压力就有可能抵抗不住引力而收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:“中子星”或“黑洞”。

对单星系统而言,由于没有热核反应来提供能量,白矮星在发出光热的同时,也以同样的速度冷却着。经过100亿年的漫长岁月,年老的白矮星将渐渐停止辖射死去。它的躯体会变成一个比钻石还硬的巨大晶体——“黑矮星”,孤零零飘荡在宇宙空间。对于多星系统来说,白矮星的演化过程可能没有这么简单,中途有可能发生改变,这需要科学家们进行更深入细致地研究。

最近,英国曼彻斯特大学和美国国家射电天文台的科学家,在曼彻斯特举行的国际天文学联合会大会上宣布,他们使用射电望远镜拍到了1000光年外的一颗恒星向外喷发气体的图像。这是迄今科学家拍到的最精细的太阳系外恒星活动图像。对这批图像进行研究,将有助于了解恒星接近死亡时的演化过程,从而预测出太阳的未来命运。科学家们观测的这颗恒星名叫TCAM,位于鹿豹星座,是一颗年老的“变星”,其亮度以88个星期为周期进行有规律的变化。过去,科学家们每两周对TCAM进行一次观测,一直持续了88周(即该恒星的一个光变周期)。他们使用了“特长基线干涉测量”(VLB)技术,在43GHZ频段记录恒星喷出的气体发出的射电波,结果获得了比哈勃太空望远镜所能拍到的同类图像精细500倍的图像。从图像中可以看出恒星表面附近气体的复杂运动,但其中有一些利用现有理论尚不能解释。一些科学家们认为,几十亿年后,太阳在生命走到尽头时会迅速膨胀,把包括地球在内的太阳系内行星“吞噬”掉。届时太阳会剧烈地脉动,像TCAM-样成为一颗变星。在脉动过程中,大量物质将被抛人星际空间,太阳的大部分质量都会损失掉,剩余部分将坍缩成一颗白矮星。在银河系中发现的大量变星表明,脉动和质量抛失是恒星死亡过程中的普遍现象,一些变星每年能够抛出相当于一个地球质量的物质。研究这种质量抛失,可以更好地了解恒星生命终结的过程,其中也包括我们的太阳。

一些科学家认为,虽然目前对恒星演化过程还不是太清楚,但基本可以肯定:大约50亿年后,太阳就会成为红巨星。那时,地球上的一切生命将不复存在。届时地面温度将比现在高两三倍,北温带夏季最高温度会接近lOOOt而地球上面积巨大的海洋,也将会被蒸发成一片沙漠。预计太阳在红巨星阶段大约停留10亿年左右,光度将升高到今天的好几十倍;它的体积也将比现在更加硕大,若从地面角度观察,会发现它实际上“布满”整个天空。

这样的“世界末日”固然还非常非常的遥远,但是一些人因为提前几十亿年知道了最后的“大结局”,无法掩饰内心的苦涩。因为这样一来,不仅人类,就连一切的生命形态都显得那样渺小,那么“微不足道”。他们会问:“如果生命的演进注定是一场过眼云烟,那么它还有什么意义呢”

的确,在人类看来,虽然个体生命的意义在于它的有限,但整体生命的意义似乎应该在于无限。在这个信念的支撑下,很多人认为即便没有了地球,生命也会在另一个星球上延续。人类是不会坐以待毙的!他们极有可能在此之前早已移居到太阳系以外其他适合生存的行星上了。银河系中有1000亿颗发亮的恒星,而每一恒星附近常有好几颗行星,在广袤的宇宙里又至少有1千亿个不同的银河系。从理论上讲,适宜人类生存的星球应不止一颗。

1957年开始,人类便着手进行太空探险的尝试了;1995年,天文学家第一次发现太阳系之外的一颗恒星附近存在着行星;到现在,人们一共找到了50多颗太阳系以外的行星。也许其中的某一颗,会是未来人类的家园。

预知太阳能量

太阳是地球万物生长的动力源泉。自人类诞生起,太阳就一直是人心目中光明和温暖的使者。在各国家、民族的神话故事里,太阳是不可或缺的角色。中国神话有“后羿射日”、“夸父逐日”,古代西方有阿波罗神,等等。

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