第十三章 宇宙参考资料
1．卡文迪什介绍
卡文迪什（图5）1731年出生在英国。他一生都在实验室和图书馆中度过，在化学、热学、电学等方面进行过许多实验探索。但由于他对荣誉看得很轻，所以对于发表实验结果以及得到发现优先权却很少关心，致使其许多成果一直未被公开发表。直到19世纪中叶，人们才从他的手稿中发现了一些极其珍贵的资料，证实他对科学发展作出了巨大贡献。
卡文迪什最为人称道的科学贡献，首先是他最早研究了电荷在导体上的分布，并于1771年用类似的实验对电力相互作用的规律进行了说明。他通过对静电荷的测定研究，在1777年向皇家学会提出的报告中说：电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”与此同时，他还研究了电容器的电容；制造了一整套已知电容的电容器，并以此测定了各种仪器样品的电容。而且预料到了不同物质的介电常数，并测量了几种物质的介电常数，初步提出了“电势”概念。
2．发展空间技术的意义
发展空间技术具有重大意义。40年来空间技术的成就是巨大的，它已迅速并广泛应用于众多的领域。展望未来30年，世界航天技术将持续快速发展。
（1）航天运输系统方面
降低航天器发射价格和缩短发射准备时间是大国主要努力方向之一。现有的低轨道运输价格大约为每千克1万至2万美元，距离每千克1千美元的奋斗目标相差甚远。因此，航天大国都在研究发展新的多次使用的天地运输系统。但相当长一段时间内航天发射仍然离不开一次性的运输火箭，因此高能、无污染、大推力、低成本的新型运载火箭的研制仍是航天大国努力的方向。
（2）应用卫星
由于具有很高的经济效益，应用卫星将获得重点发展并更多地商业化。将继续提高各种应用卫星的技术水平，降低其造价，扩大其应用范围。在遥感方面，将加强对地球环境监测、减灾活动等内容（除资源卫星外）；在通信卫星技术方面，除了大型通信卫星外，研制和发射中、低轨道由小卫星组网的个人移动通信系统是一个重要方向。同时，航天大国将研究建立天基综合信息网，它将对经济建设、社会发展和军事应用产生重大的影响。
（3）人造卫星和载人航天技术
人造卫星技术总体水平的提高，要求各相关技术持续创新发展。除大型卫星平台技术外，微小卫星技术将是未来的重要研究方向。
载人航天是人类开发宇宙空间的必然结果。当今世界载人航天计划的核心，是在靠近地球的轨道上建立长寿命大型空间站。16个国家参加的国际空间站是21世纪初的主要载人航天工程。
（4）太空探测
主要是两大方面：一是太阳系行星探测，二是天文观测。21世纪初探测重点是月球与火星。至于天文观察，预计今后将有多座轨道天文台在太空工作。空间技术在经济、军事、科技等方面具有重要意义，在政治上空间技术又极大地提高了国家综合国力，所以世界上许多国家都把空间技术置于本国发展战略的重要位置。未来国际航天关系可概括为6个字：合作、竞争、对抗。
我国政府高度重视空间技术的发展。自1970年我国第一颗人造卫星发射成功以来，共成功发射自行研制的各种人造卫星40多颗，为国家建设作出了重大贡献。我国空间技术综合水平在国际上名列前5位。预计21世纪初我国空间技术将持续快速发展，为国家经济建设和社会发展作出了贡献。
3．冥王星降级
国际天文学联合会（IAU）于2006年“剥夺”了冥王星的行星地位，将其划分为矮行星之列。2006年9月7日，国际天文学联合会小行星中心（Minor Planet Center）给这颗原太阳系第九行星分配了一个新的小行星序列号：134340。国际天文学联合会下属的小行星中心是一个官方组织，主要负责收集太阳系内一些小行星和彗星的数据资料。小行星中心的这一举动进一步强化了国际天文学联合会的相关决议，将冥王星同其他有着确定轨道的太阳系小行星归为一类。小行星中心已经退休的主任布莱恩•马斯登表示，冥王星的卫星冥卫一（Charon）、冥卫二（Nix）和冥卫三（Hydra）也被列入了这一小行星系统，并被授予了各自的小行星序列号，它们的名字分别为134340Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
4．太阳的过去、现在和将来
已经有50亿年的太阳是如何形成的呢？在辽阔的宇宙空间存在许多叫星云的弥漫物质，我们把这些弥漫物质称为原始星云。它们在银河系中分布不均匀且极其稀薄，在万有引力作用下星云收缩。另一方面，星云中的原子和分子做杂乱无章的热运动，形成气体压力使星云膨胀。当星云质量足够大时，引力超过斥力，星云在自吸引作用下收缩并产生湍涡流，形成许多小的球状体星云。
在离银河系中心3.3×104l.y.的地方，有一团质量是现在太阳质量1.2倍的星云，形成了太阳系的原始星云。原始星云在自转收缩过程中，物质向中心集聚，形成中心密度和温度都较高的太阳胎。太阳胎形成后，周围物质继续冲击太阳胎发出热辐射，这时的天体叫红外天体。随着时间的推移，太阳胎变成亦云亦星、不发光的“恒星状星云”；伴随其密度的不断增加，太阳胎也不断长大，当表面温度达到3000℃时开始发出红光，形成原始太阳。
在太阳形成恒星初期，收缩过程开始变慢，内部温度继续升高，其外层物质对流很强，有自转和磁场作用，每年向外抛出约1019t带电粒子。经过几百万年时间，太阳才演化到如今的质量和自转状态。由于太阳中心温度、密度、压力大大增加，内部能量产生的方式也发生了变化，太阳中氢开始“燃烧”，4个氢原子核聚变成1个氦原子核，放出巨大的能量。目前，占太阳质量73％的氢聚变为氦的热核反应速度缓慢，因为热核反应产生的向外辐射压和向内的引力，两者相对平衡，太阳正处于约100亿年的稳定阶段。
由于太阳中心的温度比外层的温度高，所以中心的核反应速度快，当中心内的氢“燃烧”完毕时就形成了一个氦核。随着氢的不断枯竭，氦核就不断地扩大，当氦核的质量扩大到整个恒星质量的10％时，氦核（太阳的内核）开始收缩并放出能量。一部分能量会使氦核本身的温度增高，还有一部分能量会使太阳的体积增大几千倍，太阳的光度也随之增强。由于这时辐射能量的增加跟不上表面积的增加，所以太阳表面温度会降低。这时的太阳进入了膨胀阶段，上述过程最终使太阳变成一个体积大、发红光、温度低、光度高的“红巨星”。太阳变成红巨星后，它的体积将扩大到水星轨道外侧，地球温度增高使人类无法生存。
太阳演变到红巨星后要稳定十亿年左右，当核心的氦消耗完时，核心会再次收缩从而使温度和密度增高。当温度达到6×108℃时，碳开始发生核反应并转化为氧和镁等元素。约1万年后碳消耗完时，核心再次收缩使温度上升到2×109℃，氧发生核反应并转化为氖和硫等元素……这样的核反应一个接一个地进行，太阳元素全部转化为最稳定的铁，核反应才停止。当温度达到6×109℃时，发生极强的中微子辐射。中微子不带电，静质量接近于零，穿透力极强，从太阳内部带走大量能量使辐射压变小，于是太阳发生坍缩。恒星坍缩后剩余质量如果小于1.3倍太阳质量时，会变成体积小、温度高、由超密物质组成的白矮星。
5．超新星1987A
在距地球1.6×106l.y.的大麦云中，1987年曾出现超新星1987A三光环奇观（图6）。这种现象的形成过程一直被天文学界认为是不解之谜。
对超新星的理解不能顾名思义地认为它是一颗新诞生的恒星，恰恰相反，它是恒星濒临死亡时能量大爆发的“回光返照”，在大爆发中显示非常明亮辉煌的景观，在超新星爆发后，恒星就可能变为中子星或成为吞噬一切物质和能量的黑洞。
据报道，日本九州大学教授田中高史和湘南工科大学教授鹫见治一用电子计算机成功再现了这一超新星的光环景象。两位教授推断，光环在恒星成为超新星之前的红巨星阶段就已经形成。在红巨星阶段，先是恒星浓密气体向周边膨胀为球状，后来，因为恒星内部气体更为迅速地喷发，气团成为空心球状。由于磁场压力的作用，球状气团变成平的环形，而环的上面和下面分别受到恒星北极和南极的引力，剥落成三个环。
6．白矮星
白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。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，但质量却与太阳差不多！也就是说，它的密度在107t/m3左右。
根据白矮星的半径和质量，可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万到10亿倍。在这样高的压力下，任何物体都已不复存在，连原子都被压碎了：电子脱离了原子轨道变为自由电子。
白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。
当红巨星的外部区域迅速膨胀时，氦核受反作用力却强烈向内收缩，被压缩的物质不断变热，最终内核温度将超过108℃，于是氦开始聚变成碳。
经过几百万年，氦核燃烧殆尽，现在恒星的结构组成已经不那么简单了：外壳仍然是以氢为主，而在它下面有一个氦层，氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂，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，红巨星外部开始发生不稳定的脉动：恒星半径时而变大，时而又缩小，稳定的主序星变为极不稳定的巨大火球，火球内部的核反应也越来越趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到10t/cm3左右，我们可以说，此时，在红巨星内部已经诞生了一颗白矮星。
白矮星的密度为什么这样大呢？
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10-8cm，而氢原子核的半径只有10-13cm。假如核的大小像一颗玻璃球，则电子轨道将在2km以外。
而在巨大的压力之下，电子将脱离原子核，成自由电子。这种自由电子将尽可能地占据原子核之间的空隙，从而使单位空间内包含的物质也大大增多，密度大大提高了。形象地说，这时原子核是“沉浸于”电子海洋中。一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气压力与白矮星强大的重力平衡，维持着白矮星的稳定。当白矮星质量进一步增大，简并电子气压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩，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辐射而死去。它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体——黑矮星而永存。
而对于多星系统，白矮星的演化过程则有可能被改变。
7．红巨星
当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段，步入老年期时，它将首先变为一颗红巨星。
称它为“巨星”，是突出它的体积巨大。在巨星阶段，恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。称它为“红”巨星，是因为在这恒星迅速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之而降低，发出的光也就越来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，可红巨星的体积是如此之大，它的光度也变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的星中，许多都是红巨星。
在赫罗图中，红巨星分布在主序区的右上方的一个相当密集的区域内，差不多呈水平走向。
我们来较详细地看看红巨星的形成。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，是把每四个氢原子核结合成一个氦原子核，并释放出大量的核能，形成辐射压。
处于主序星阶段的恒星，核聚变主要在它的中心（核心）部分发生。辐射压与使它自身收缩的引力相平衡。
氢的燃烧消耗极快，中心形成氦核并且不断增大。随着时间的推移，氦核周围的氢越来越少，中心核产生的能量已经不足以维持其辐射，于是平衡被打破，引力占了上风。有着氦核和氢外壳的恒星在引力作用下收缩，使其密度、压强和温度都升高。氢的燃烧向氦核周围的一个壳层里推进。
这以后恒星演化的过程是：内核收缩、外壳膨胀——燃烧壳层内部的氦核向内收缩并变热，而其恒星外壳则向外膨胀并不断变冷，表面温度大大降低。这个过程仅仅持续了数十万年，这颗恒星在迅速膨胀中变为红巨星。
红巨星一旦形成，就朝恒星的下一阶段——白矮星进发。当外部区域迅速膨胀时，氦核受反作用力却强烈向内收缩，被压缩的物质不断变热，最终内核温度将超过108℃，点燃氦聚变。最后的结局将在中心形成一颗白矮星。
8．中子星
如果你为白矮星的巨大密度而惊叹不已的话，这里还有让你更惊讶的呢！我们将在这里介绍一种密度更大的恒星：中子星。
中子星的密度为1011kg/cm3，也就是1cm3的质量竟为108t之巨！对比起白矮星的每立方厘米仅几十吨，后者似乎又不值一提了。事实上，中子星的质量是如此之大，半径10km的中子星的质量就与太阳的质量相当了。
与白矮星一样，中子星也是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的，只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于十倍太阳质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于十倍太阳质量的恒星往往只能演化为一颗白矮星。
但是，中子星与白矮星的区别，决不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。
简单地说，白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的简并电子气再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子结合成为中子，使原子变得仅由中子组成，而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核，中子星的密度就是原子核的密度。
在形成的过程方面，中子星与白矮星是非常类似的。当恒星外壳向外膨胀时，它的核受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化，最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命，这就是天文学中著名的“超新星爆发”。
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