《宇宙新论 之 天地本源》

（杨建立著）

第九章 旭日东升

 

    太阳是一颗中等质量的普通恒星，它的形成自然和其他恒星一样，是由宇宙中分子云坍缩、凝聚而成的。太阳是约46亿年前，诞生于一块称为“前太阳星云”的分子云中。

判断太阳形成的时间可以用两种方法推测：一是根据太阳目前在恒星主序带上坐标位置，使用恒星演化和元素合成的电脑模型确认，大约就是46亿年。二是根据太阳系最古老的物质放射性定年法，测定地球上古老的岩石和来自太空的陨石中放射性同位素衰变程度，得到的是45.67亿年，两者非常的吻合。

   太阳直径大约是1.392×10⁶千米，相当于地球直径的109倍，体积大约是地球的130万倍，其质量大约2×103⁰千克，是地球的330000倍，太阳表面温度约是6000℃。一般认为，太阳几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。

太阳的组分

  太阳系质量的99.86%都集中在太阳上面。按照通常流行的说法，组成太阳的化学成分,以质量计算: 氢占74.9%，氦占23.8%，重金属元素只占不到2%，其中氧占1%、碳0.3%、氖0.2%、铁0.2%。按照天文学家的习惯，将除了氢元素、氦元素之外的其他元素统称为金属元素。

  这些数据从哪里来的？当然是通过太阳光的光谱分析得来的。按照我们地球人类目前的科技水平，在可以预知的未来，还没有能力到达太阳表面取样进行分析，也还没有能力在太阳上面放置几个“日震记录仪”，采集太阳的振动波用于研究太阳的组分。我们现在能够接触到的太阳释放出来的信息有三个：一是太阳风，二是太阳引力，三是太阳光。

  太阳风带给我们的信息，是太阳内部核反应所放射粒子、喷发物和它裹挟出来的太阳表面物质。太阳引力带给我们的信息，是太阳体内所含物质质量的多少。太阳光光谱能够携带一些太阳表面化学成分的相关信息。太阳是不透明的，因此不可能看见太阳内部结构。

    问题来了，按照传统理论，太阳的热核反应发生在太阳核心，至少是发生在太阳内部深层。太阳内部核反应放射出来的光线，是要经过无数次释放、吸收，再释放、再吸收过程后，到达太阳光球层表面，在太阳表面重新释放出来的。太阳光的最后出发地是太阳表面，是从太阳表层物质那里释放出来的，太阳光谱谱携带的是太阳表面物质的信息，而非太阳内部物质的构成情况。所以，由太阳光谱推测出来的的太阳组分不足为信。

    这就好比是有一只长毛的绵羊，远远站在我们前面，我们看到它除了眼、口、鼻等少数表皮之外，其他98%的表层都被厚厚的羊毛覆盖着。我们总不能因此认定，这只绵羊身体的98%都是由羊毛组成的，只有2%这么极少的一部分是筋骨和血肉吧。

  我们先来看一下地球的化学组成。得自科学家全球采集数以百万计样本，汇总后最终获得化学成分及元素丰度:重元素占96.35%，其中铁占34.6%、氧占29.5%、硅占15.2%、镁12.7%、镍2.4%、硫1.9%、钛0.05%，其他轻元素元素占3.65%。

    不管科学家们采集多少样本，也都是来自于地球表面的。当然了，他们也一定参考了火山喷发物的化学组分。火山喷发物来自于地壳之下熔融的岩浆物质，应该是地壳底层和地幔上层物质的代表。地下100千米、1000千米下面的成份，科学家们肯定是无法采集，也肯定是无法进行光谱分析。采集地表样本数量再多，也只能代表地表，不能代表地下，更不能代表包括地核在内整个地球的成份。

     1970至1994年间，前苏联钻出了全世界最深的钻井俄罗斯北极地区的科拉钻井，钻孔深度达到12.262千米，这个深度不到大陆地壳平均厚度的一半，不到地球半径的0.2%。

    在地表，金含量达4克/吨就具有商业开采价值，地球表层很少能找到含量超10克/吨的金矿。但前苏联的钻井深度达到9500米时，钻头钻进了一个含有黄金和钻石的地层。取出岩芯经过分析，金含量居然高达80克/吨。

    我们知道，大陆下的地壳平均厚度约35公里，我国青藏高原的地壳厚度达65公里以上；海洋下的地壳厚度仅约5～10公里；整个地壳的平均厚度约17公里。有史以来人类能够钻探最深的克拉钻井，连地壳平均厚度的一半都没能钻探到，就能发现物质组成有如此大的区别。由此可看出，地球深处与地表是完全不同的。地球表面成分代表不了地球内部成分。太阳表面成分同样也代表不了太阳内部成分。

地球大气的外层也是氢气和氦气。由于地球引力小，最外层吸引的氢和氦相对较少，土星和木星质量远远大于地球，大气最外层吸引氢和氦就相对较多。太阳拥有太阳系99.86%质量，因此太阳大气层吸聚的氢和氦也最多最厚。采用任何光谱探测分析，只能够分析出太阳大气最外层，根本无法探测光球内成份，太阳光球以内才是太阳的主要质量。不能套用太阳大气外层的氢和氦成分比例，用以代表太阳的组分。

    我们生活在地球上，但就是在我们脚下的地球的化学组分都很难确定，我们更难取得太阳组分的准确数值，但我们可以做出比较合理的推断。

太阳系内共有四大类地行星，他们的化学组成有一定差别，但是，他们除了有少量的气体之外，绝大部分质量是固态或熔融岩质和金属物质。太阳与四大类地行星同是来自于一块宇宙星云。太阳质量远远大于类地行星，一定是会吸积了比类地行星多得多的氢和氦。但这同时也说明，太阳必定有一个比类地行星大得多得多的重物质核心，才能够吸引住更多的气态物质，总不至于太离谱。关于这个问题，我们已经在前一章“大道初具”中进行过论述。地球上的重元素占96.35%，而太阳内部总不应该是和表面的占比一样，氢占74.9%，氦占23.8%，重元素只占不到2%那么可怜吧，这不合理。

新证据

证明在恒星形成之时，并非只有氢氦等气体物质参与，在分子云中含有重物质的证据，最近又有了新发现。

据2019年5月5日环球网报道，日本国立天文台、东京大学、理化学研究所等机构组成的研究小组根据阿尔玛望远镜的观测数据发现，猎户座大星云中的巨大原始星“猎户座KL电波源I”旋转喷射气流的根部附近，含有一氧化铝分子。

     迄今为止，科学家仅从进化末期的老年恒星喷射气流中发现了一氧化铝分子。老年恒星喷射的气体中，一氧化铝形成固体微颗粒飘荡在星系中，成为形成新的恒星和行星的材料。但一氧化铝分子是否存在于诞生之初的原始恒星周围，其分布情况如何，一直不明确。

    研究小组在“猎户座KL电波源I”的观测数据中发现了一氧化铝分子放射的497GHz(千兆赫)和650GHz电波，显示原始星周围也存在铝分子，分布在喷射流的根部。与同一处发现的一氧化硅分子等的分布相比，其分布非常集中。

    2004年，美国宇航局发射了斯皮策太空望远镜，是一座红外望远镜。由于红外线可以穿透厚厚的尘埃，因此斯皮策的作用就是通过观测星云热量散发的红外线观测星云内部新恒星的形成。就这样，我们就可以大致描绘出恒星的形成过程。

    在分子云中，重要的物质不是那些灿烂的气体云，而是其中较暗的部分，那里包含很多尘埃云。恒星的形成就发生在这些尘埃云中。这些尘埃云密度很大，因此一般情况下，很难用一般的望远镜观测到内部的一些过程，也很难了解尘埃云中有什么物质潜藏。

我们在《开天辟地》一章中已经叙述过，原始太阳的诞生，是由于附近发生了大爆炸，将大大小小若干块爆炸碎片--“原始星核”投入到了这片“分子云”中。

这些“原始星核”中含有正常的金属物质（按照天文学家的习惯，将氢和氦之外的较重物质统称为金属物质），也有被解除压力后的超固态物质，我们称其为“超重物质”，以及被解除了压力后的中子态物质，我们称之为“奇异物质”。

由于这些“原始星核”的加入，这片巨大空域中的“分子云”逐步汇聚收缩，并分化出一块块的稠密区域。“原始星核”慢慢吸积周围的物质，首先是尘埃和小碎块，逐步壮大自己，并最终引发引力坍缩，形成了太阳系大家庭。

    就这些“原始星核”中最大的一块，“霸占”了其势力范围内大量的物质，它不断吸积、吞并其他碎块、尘埃和气体，形成了如今的太阳。

    主导分子云汇集、坍缩、凝聚成为星体的是“原始星核”，而非分子云中的气体物质或者尘埃。组成太阳的物质基础是一个大块头的“原始星核”，不是尘埃或者压缩的氢和氦。

    持有类似观点的，并非笔者一人，一篇来自牛津大学宇宙粒子物理学家的研究论文，同样也认为太阳核心内部另有玄机。

内藏玄机

     据2016年7月29日消息，英国伦敦大学皇家霍洛威学院一名科学家宣称，太阳内部中心不但“潜伏”了暗物质，并且这些“暗物质”还在逐渐冷却太阳的核心温度。

    这篇论文阐述了来自牛津大学宇宙粒子物理学家的研究。文章认为，可以去太阳内部寻找宇宙间黑暗神秘的代表--暗物质。集合了光与热的太阳，也集中了太阳系质量的99.86%，也许这正是宇宙间一张网罗暗物质的大网。

    如果暗物质恰好具有某种特定形态，它就将能够在这颗距离我们最近的恒星内部积聚，并以一种能被我们观测到的形式改变热量在太阳内部的传递方式。

     而另一项最新的研究，也佐证了这一说法。英国伦敦大学皇家霍洛威学院的斯蒂芬·韦斯特博士领导的研究小组，对暗物质活动与太阳核心温度进行模拟，发现“暗物质”应参与到吸收太阳核心热量，影响核心热量向表层传递的活动中，从而降低了核心温度。

   

 我们在《奇异物质》一章中做过介绍，我们所说的“奇异物质”既“冷”且“重”，又不发光，并不断吸收周围能量，使自己“复活”。也许“奇异物质”与一些科学家们臆想的“暗物质”有一定落差，但却能比较好地契合“暗物质”特征，它很可能就是科学家苦苦寻觅的“暗物质”，或者是诸多“暗物质”中的一份子，它们潜藏在太阳中心，起到了给太阳核心降温的作用。关于我们说“奇异物质”就是“暗物质”中一份子的问题，将在此后的《冷暗物质》一章做详细解析。

双星系统

    我们研究太阳的形成，不能孤立地研究太阳，不能置身于整个宇宙苍穹之外。纵观银河系里的芸芸众星，我们可以看到，像太阳一样的“单身”并非常态，而更多的是“出双入对”的双星。更有甚者，我们还发现了“三星”、“四星”的天体系统。而且，太阳也许并不是“单身”。有科学家研究地球生物“大灭绝”现象时，发现大灭绝有一个2600万年的周期规律。他们推测，太阳可能有一颗伴星，这颗伴星每2600万年与太阳接近一次，随身带过来大量的彗星。彗星撞击地球，结果是地球生物每隔2600万年来一次大灭绝。如果这一学说被证实，太阳也就会“脱单”，也将会成为双星系统中的之一。

    研究双星，不但对了解恒星形成和演化过程的多样性有重要的意义，而且对于了解银河系的形成和演化，也是一个不可缺少的方面。

    双星系统是指由两颗恒星组成，相对于其他恒星来说，位置看起来非常靠近的天体系统。描述这种现象有两个名词，一是“双星”，一是“联星”。联星是指两颗恒星各自在轨道上环绕着共同质量中心的恒星系统。“双星”与“联星”两个词是有一定区别的，联星一定是双星，双星未必是联星。

    一般而言，双星可以是联星，也可以是没有物理关联性，只是从地球上观察起来位置贴近的光学双星，实际距离却很遥远，只是因为观察角度的机缘巧合，看上去位置贴近而已，不是真正位置贴近的两颗恒星。

 

1650年，在大熊座发现双星系统。

    1685年，在南天的南十字座，丰特奈神父发现了明亮的“十字架二”双星系统。1767年，约翰·米契尔最早提出双星可能彼此间有着物理上的关联性。1779年，威廉·赫歇尔开始观测双星系统，不久就发表了含700对双星的目录。1802年，赫歇尔首次提出了“双星”这个名词。1827年，第一个双星系统的完整轨道计算完成。

    1844年，德国天文学家贝塞尔根据星体的移动路径出现的波浪图形推断天狼星是一颗双星，因为该星在附近空间中沿一条呈波形的轨迹运动。天狼星及其伴星都在偏心率颇大的轨道上互相绕转，绕转的周期是49.9年，平均距离约为日地距离的20倍。尽管这对双星中的亮星光芒四射，用大望远镜还是不难看到那颗亮度为7等的伴星。伴星的质量与太阳差不多，它的半径却只有太阳的1/50，密度则比太阳大得多，平均密度为30㎏/立方厘米,是第一颗被发现的白矮星。

    双星有多种情形：

    1、物理双星。一颗恒星围绕另外一颗恒星运动，并且互相有引力作用，称为物理双星；一般所说的双星，没有特别指明的话，都是指物理双星。

    2、光学双星。两颗恒星看起来靠的很近，但是实际距离却非常远，称为光学双星，不是真正意义上的双星系统。

    3、目视双星。根据观测方式不同，通过天文望远镜可以观测到的双星称为目视双星。

    4、分光双星。只有通过分析光谱变化才能辨别的双星称为分光双星。

    5、食双星。有的双星在相互绕转时，会发生类似日食的现象，从而使这类双星的亮度周期性地变化。这样的双星称为食双星或食变星。食双星一般都是分光双星。

    6、密近双星。还有的双星，不但相互之间距离很近，而且有物质从一颗子星流向另一颗子星，这样的双星称为密近双星。

    7、X射线双星。有的密近双星，物质流动时会发出X射线，称为X射线双星。

    在银河系中，双星的数量非常多，根据现有的观测数据显示，双星系统不少于单星。

    这就困难了，根据传统的恒星形成理论，恒星是分子云局部引力坍缩形成的，而在近距离内，星云能够形成两个坍缩核心是很难理解的。但事实却恰恰是双星系统在宇宙中竟然是“常态”，而非偶发情形。更何况，我们还发现有“三星”、“四星”系统的存在，这更让科学家们头疼。至今为止，还没有一个成熟的双星系统的形成理论。

    这些双星或多星绕转的天体系统，传统的“星云说”很难解释。也只有我们所说的“原始星核”参与星云坍缩，参与恒星的形成，才能顺理成章地解释这一现象：被爆炸投放进来的两颗或多颗相互贴近，原本就是固态的原始星核，才能够在纷繁复杂的物质争夺战中存活下来。这些贴近的两个或多个原始星核，它们的大小不相上下，其“势力”旗鼓相当，谁也无法吞并对手的情况下，形成了“分庭抗礼、和平共处”之势，最终才会出现双星或多星的天体系统。而在机缘巧合之下，它们甚至可以拥有行星。也就是有较小的“原始星核”，恰巧处在合适的位置、合适的距离上，没有被大块“原始星核”吞并，幸存了下来，吸积一定物质，形成了行星。如果反过也可以来说，一颗行星可以拥有两个或多个太阳。

有两个太阳的天体

    2013年4月1日，据国外媒体报道，法国科学家认为他们已经在特别遥远的一个星系里，捕捉到一颗天体2MASS0103.(AB).b围绕两个太阳运行的第一张图，由法国格勒诺布尔约瑟夫傅立叶大学的菲利普-达拉姆及其同事在2012年11月拍摄到。他们查阅望远镜的档案数据后发现，这个巨大天体在2002年到2012年间运行了相当远的一段距离。

    他们认为，这颗星球的运行轨道距离双子星大约有125亿公里，它距离它的主星非常近。2MASS0103.(AB).b的质量是木星的12到14倍，位于行星和褐矮星之间的分界线上。

有四个太阳的行星被证实

    2011年10月17日，英国科学家确认了一颗与4颗恒星相伴的行星，这意味着该行星的天空上有“四个太阳”，这是天文界首次发现此类天体系统。这颗行星位于天鹅座，距地球约3200光年，大约是地球大小的6.2倍。

    研究人员发现，这颗被称作PH.1的行星绕着一个双星系统旋转，而同时还有另一个双星系统绕着前一个双星系统转动，这意味着同时有4颗恒星照亮它的天空。这样的系统让天文学家非常困惑，不明白这颗行星如何能在4颗恒星的引力下稳定存在而没有被“撕碎”。更难的是，他们无法用传统的星云说解释这颗行星是如何在这复杂纷乱的引力场中生成的。

“奇异物质”被发现

    在《奇异物质》一章中，我们描述过“奇异物质”的来源。作为“原始星核”的成员，它一是来源于Ia型超新星爆发，没有能够凝结成中子星的白矮星核心部分；二是来源于两颗中子星碰撞产生的中子星碎块；三是来源于黑洞吞噬中子星残留的碎块物质，以及理论假说中的轴子星。

    理论研究认为，中子星相撞，或其他被抛射出来的中子星碎块，也就是我们称为“奇异物质”物质，会产生一种称为“千新星”的现象。

就在最近，2019年2月，因两颗中子星碰撞而抛射出来被我们称之为“奇异物质”的中子块，也就是“千新星”的确切证据被科学家观测证实。2月22日，《科学》（Science）发表的一篇论文首次证明，1亿多光年外的一对中子星，碰撞后产生诸多“碎块”物质，抛洒在宇宙空间里。

实际上，科学家观测到这一事件的发生，是在2017年。2017年8月17日，地球上的激光干涉引力波探测器（LIGO.）探测到一个引力波。2秒后，伽玛射线卫星F.ermi探测到一个持续时间为2秒的伽玛射线暴。

经过研究，科学家们确定这个引力波和这个伽玛射线暴来自一对碰撞的中子星。这是人类首次同时观测到来自同一天体物理系统发出的引力波与电磁波，这对中子星由此一撞成名。

中子星里面几乎全部是紧密挤在一起的中子，半径只有大约10千米，但它们的质量却比我们的太阳还要大，是地球质量的几十万倍那么大，它是被高度压缩的物质组成的星体。这样致密的天体大部分是大质量恒星死亡时的猛烈收缩压出来的。

两颗这样的星体撞在一起，会产生怎样的后果呢？天文学家对此也很好奇，一直期望能够直接探测到两颗中子星碰撞产生的种种现象。他们已经在理论上进行了大量的研究，直接观测的愿望终于在2017年实现了，一对紧紧相拥的中子星给科学家们带来了惊喜。

科学家在后续的观测，发现了中子星碎片发出的紫外线、可见光与红外线--这就是天文学家寻觅二十年的“千新星”。而在此前，2013年，哈勃太空望远镜发现了一个疑似的千新星，但证据不是非常强，因此只是候选体。

天文学家们普遍认为：中子星碰撞抛出的碎片产生了“千新星”，其旋转轴方向上喷发的喷流制造出伽玛射线暴与余辉。

两颗中子星在环绕共同中心旋转，缓慢接近，最终发生碰撞。碰撞后的很短时间内，有一些中子星碎片会被抛洒出去。剩余的部分要么合并为一个黑洞，要么形成更大质量的中子星。

  这场表演首先登场的是引力波。在这对中子星彼此缠绵环绕的过程中，会源源不断辐射出引力波，但在绝大部分时间里，这些引力波都比较“低调”（频率低），无法被当前的引力波探测器探测到。直到碰撞前很短时间内发出的引力波，才会“高调”上演，才能被人们成功探测到。这次探测到的引力波就是这个时间段内发出的。

 　 随后产生的是千新星（电磁波、可见光为主）。碰撞时被抛出的碎片中，有一部分会不断向外扩散，里面的大量中子衰变为质子，质子又与剩余的中子一起合成重元素，如金、银、铀、钚等等。这些重元素中的放射性元素发生放射性衰变、裂变等过程，释放出大量能量，将这些碎片加热到上万度，辐射出紫外线、可见光与红外线。这类爆发通常只需要一天左右就可以达到最亮，亮度比绝大部分超新星暗一些，同时是典型新星亮度的一千倍左右，因此被称为“千新星”。

 

红色箭头所指，就是第一个被确认的千新星。

相伴而来是伽玛射线暴（电磁波、伽玛射线为主）。碰撞前抛出的另一部分碎片会重新向中心回落，堆积成一个盘状物，即“吸积盘”。吸积盘与中心的黑洞或者大质量中子星构成一个系统。吸积盘的物质向内回落，黑洞或者中子星旋转轴方向上喷发出喷流，喷流内的电子被加速，辐射出大量伽玛射线，形成伽玛射线暴。

  　由于观测条件的限制以及千新星需要至少几小时才能明亮到足以被望远镜探测到，千新星在伽玛射线暴被探测到之后十个半小时才被探测到。

这一阶段的反应，是被挤压在中子星内部的物质，由于碰撞被抛洒出来后的“急性反应”。是沉积在这些中子态物质中的残存能量的快速释放。

我们已经知道，中子星是物质经过多次原子核聚变反应，是内禀能量高度耗竭、亏空的“灰烬”物质，但这些物质仍然残存一定能量，也就是中子与中子之间抵抗引力压缩，阻止进一步向内坍缩的能量，以及当初形成中子星时所残存的几千度的高温。

    这些物质经过短时间的“激情表演”，随着能量的释放，长期被压抑的瞬间“宣泄”后，物质将会进入半衰期较长的缓慢衰变阶段，会逐步恢复相对“平静”期，成为我们称之为“奇异物质”的存在。

    如果有这种大块的“奇异物质”进入到分子云中，在引力和摩擦阻力的作用下逐步停留下来，凭借强大的引力场，吸积周围气体、尘埃，形成稠密分子云，并在吸积过程中质量不断发展壮大。引力随之越来越强大，周围聚集的物质也越来越多起来，分子云开始坍缩，并在周围形成行星盘。

    恒星发展演化到了这步，一颗婴儿期的恒星已经成型，成为一颗类似于金牛T星类型的恒星。

金牛座T型变星

1945年，美国天文学家乔伊(Joy)将11颗混杂在星云中具有发射谱线的变星被称为“金牛座T型变星”，金牛座T型变星是一种不规则变星，典型星是金牛座T。这些变星通常笼罩在弥漫星云中，表面温度较低，大都为晚期光谱型。除少数外，光度变化不规则，光变规则从十分之几星等到几星等。由光谱分析，显示金牛座T型变星有物质流出的现象，喷发的速度由每秒225公里至425公里不等，而且随时间变化。金牛座T型变星和弥漫星云相生相伴，并成集团出现。

金牛座T型变星分布在主序带的右上侧，显示它们是非常年青的恒星，为进入主序星之前的晚期光谱型恒星，属于前主序星。

  对金牛T星的研究表明，它们常伴以0.001～0.1太阳质量的前行星物质组成的盘，这些盘伸展达几百个天文单位。星盘相当冷，最热只能达到绝对温标1000度。这类变星都具有非周期的不规则光变，或快速的光变迭加在长期的缓慢光变上。最大变幅为 5个星等，一般为1～2个星等。说明它们尚未形成稳定的核燃烧机制。

    金牛T星是前主序带能见到的最年轻恒星（质量小于2太阳质量），表面温度非常接近质量相同的同类型主序星，但是因为半径较大而显得较为明亮，它们的中心温度仍太低，以至于还不足以引发氢熔合。而是以收缩产生的重力能量使得它朝向主序带移动，而大约在一亿年后可以成为主序星。它们典型的自转周期在1至12天之间，与太阳一个月的自转周期比较，显得是非常活跃和多变的。

    有证据显示有巨大的星斑覆盖在表面，并且有强烈和易变的X射线和电波辐射（强度约为太阳的1,000倍），许多还都有强烈的恒星风。造成光度变化的另一个原因是环绕在金牛T星周围的团块。

    在猎户座大星云的原行星盘。粗估大约有一半的金牛T星有星周盘，在这种情况下称为原行星盘，因为它们大概就是像太阳系的行星系统的祖先，而估计经过一千万年拱星盘就会消散。许多的金牛T星都是联星，在他们生命的不同阶段中，它们都可以称为初期恒星体。  

“原始星核”所含有的大量“奇异物质”，在长时间吸聚能量后，裂解为大量的放射性物质。放射性物质继续衰变产生热量，在与收缩压力的共同作用下点燃核聚变，产生内部能源，抗拒引力收缩的力到达静力平衡。这意味着太阳进入主序星阶段，开启它生命中灿烂的盛年时期，在太空之中，我们的太阳即将光耀苍穹。