恒星是由什么物質(zhì)構(gòu)成的？

劉聲遠(yuǎn)

法國(guó)著名哲學(xué)家孔德在1835年如此寫(xiě)道：“我們無(wú)法想象，有朝一日能找到確定恒星化學(xué)組成的辦法?！边@句話(huà)未免過(guò)于悲觀。事實(shí)上，到1857年，也就是孔德去世那一年，天體物理學(xué)家已經(jīng)在著手探查恒星的組分，而他們所使用的工具——光譜，早在1835年就已發(fā)明。

1802年，英國(guó)科學(xué)家威廉·海德·沃拉斯頓讓陽(yáng)光通過(guò)一條裂縫形成狹窄的光柱，然后透過(guò)一面玻璃棱鏡把光柱散射成太陽(yáng)光譜。他注意到，陽(yáng)光的色彩被黑色線(xiàn)條分隔開(kāi)：光譜的紅色部分有兩條暗線(xiàn)，綠色部分有三條暗線(xiàn)，藍(lán)-紫色區(qū)域有兩條暗線(xiàn)。沃拉斯頓當(dāng)時(shí)推測(cè)，這些線(xiàn)條不過(guò)是色彩之間的空隙。但他的這一發(fā)現(xiàn)激起了德國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)的興趣，后者得以在19世紀(jì)第二個(gè)十年中產(chǎn)生了更詳細(xì)的光譜——在太陽(yáng)光譜中辨識(shí)出574條譜線(xiàn)。今天，太陽(yáng)光譜中的所有暗線(xiàn)（比夫瑯和費(fèi)發(fā)現(xiàn)的還要多）被統(tǒng)稱(chēng)為夫瑯和費(fèi)譜線(xiàn)。19世紀(jì)50年代，有關(guān)夫瑯和費(fèi)譜線(xiàn)來(lái)源的首條線(xiàn)索浮現(xiàn)出來(lái)。

這始于羅伯特·本生和古斯塔夫·基爾霍夫在德國(guó)的工作。本生是著名的實(shí)驗(yàn)室器具——本生爐的發(fā)明者（本生爐是一種燃燒爐，以可控方式混合氧和可燃?xì)怏w，從而產(chǎn)生透明的火焰。本生爐被用于檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)，其原理是通過(guò)物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰色彩來(lái)識(shí)別這是什么物質(zhì)）。本生和基爾霍夫合作研發(fā)了一種裝置——光譜儀，它包括一道讓光線(xiàn)通過(guò)的狹縫、一臺(tái)讓光柱變窄的瞄準(zhǔn)儀、一面散發(fā)光線(xiàn)成彩虹模式的棱鏡，以及一個(gè)用于觀察光譜的目鏡。夫瑯和費(fèi)在他的工作中使用的是棱鏡和目鏡的組合。

斑斕火焰

本生和基爾霍夫知道，當(dāng)不同的物質(zhì)被放進(jìn)本生爐產(chǎn)生的明亮火焰中時(shí)，它們?nèi)紵龝r(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色。例如，微量的鈉會(huì)讓火焰變黃，而銅會(huì)讓火焰變成綠藍(lán)。他們使用光譜儀對(duì)來(lái)自這些火焰的光線(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每種元素都以精準(zhǔn)的波長(zhǎng)在光譜中產(chǎn)生明亮的線(xiàn)條。對(duì)于鈉來(lái)說(shuō)，這些線(xiàn)條出現(xiàn)在光譜的黃色部分；對(duì)于銅而言，出現(xiàn)在綠藍(lán)部分；以此類(lèi)推。一天晚上，在海德堡的實(shí)驗(yàn)室中，他們分析了來(lái)自于16千米外的曼海姆市一場(chǎng)大火的光線(xiàn)，辨識(shí)了火焰中存在的鍶和鋇所產(chǎn)生的光譜線(xiàn)。

據(jù)說(shuō)，那場(chǎng)大火后的某天，在本生和基爾霍夫沿著流過(guò)海德堡的一條河散步時(shí)，本生對(duì)基爾霍夫說(shuō)：“如果我們能確定曼海姆大火中物質(zhì)的性質(zhì)，那么也應(yīng)該能對(duì)太陽(yáng)做同樣的事。但人們會(huì)說(shuō)我們瘋了，竟然去夢(mèng)想這樣的事?！?/p>

他們把注意力轉(zhuǎn)向了太陽(yáng)光譜，并且發(fā)現(xiàn)：由夫瑯和費(fèi)發(fā)現(xiàn)的許多暗線(xiàn)，都與在實(shí)驗(yàn)室中被加熱的不同元素所產(chǎn)生的明線(xiàn)以完全相同的波長(zhǎng)位于光譜中的相同部分。這一發(fā)現(xiàn)的含義就是，這些元素存在于太陽(yáng)的外層。本生和基爾霍夫認(rèn)為，當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)炙熱內(nèi)部的光線(xiàn)穿越太陽(yáng)外層時(shí)，這些元素會(huì)以特定波長(zhǎng)從光譜中移出光線(xiàn)，而不是為光譜添加明線(xiàn)?；鶢柣舴蚴沁@一推想的主要提出者。

那么，太陽(yáng)的這些線(xiàn)條是怎樣產(chǎn)生的呢？當(dāng)時(shí)無(wú)人能給出確切的答案。直到19世紀(jì)60年代，人類(lèi)終于進(jìn)步到有可能查明太陽(yáng)和恒星成分的地步。

在19世紀(jì)最后幾十年里，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)光譜甚至恒星光譜中的許多元素，其實(shí)在地球上也存在。他們由此很自然地假設(shè)：總體而言，太陽(yáng)的組成和地球的組成相當(dāng)類(lèi)似。但這個(gè)假設(shè)實(shí)際上是錯(cuò)的——恒星的組成物質(zhì)比地球的簡(jiǎn)單得多。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，包括太陽(yáng)在內(nèi)，恒星大部分由氫和氦組成，只有微量的其他元素。但在19世紀(jì)60年代初，甚至無(wú)人知道有一種叫氦的東西。氦的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著太陽(yáng)和恒星光譜學(xué)時(shí)代的來(lái)臨。

一條黃線(xiàn)

發(fā)現(xiàn)氦的領(lǐng)軍人物是英國(guó)天文學(xué)家諾曼·洛克耶。他的最大建樹(shù)出現(xiàn)在1868年10月20日，當(dāng)時(shí)他用一種新的光譜儀分析了來(lái)自太陽(yáng)外層的光線(xiàn)。這些觀測(cè)緊跟法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·讓森于同年8月18日在印度對(duì)日食期間太陽(yáng)外層的觀測(cè)。當(dāng)時(shí)，月球阻擋了來(lái)自太陽(yáng)表面的亮光，讓森得以探察到正好位于太陽(yáng)表面上方的物質(zhì)的光譜線(xiàn)。他注意到，太陽(yáng)大氣上層——色球?qū)庸庾V中的明線(xiàn)（包括一條明亮的黃線(xiàn)）靠近但明顯有別于鈉線(xiàn)。這條黃線(xiàn)的波長(zhǎng)后來(lái)被測(cè)定為587.49納米。

1868年10月20日，在不知道讓森的上述發(fā)現(xiàn)的情況下，洛克耶使用他的新型光譜儀觀測(cè)太陽(yáng)大氣層，并且發(fā)現(xiàn)了同樣的黃線(xiàn)。讓森和洛克耶的發(fā)現(xiàn)都在1868年10月26日被提交到法國(guó)科學(xué)院。但洛克耶領(lǐng)先一步地聲稱(chēng)那條黃線(xiàn)一定與一種此前未知的元素有關(guān)，他還把這種元素取名為“氦”，這個(gè)名字源自于“太陽(yáng)”一詞的希臘文：赫（氦）利俄斯。

這是一個(gè)有爭(zhēng)議的說(shuō)法。但在1895年，蘇格蘭物理學(xué)家兼化學(xué)家威廉·拉姆齊發(fā)現(xiàn)，一種此前未知、由鈾釋放的氣體在光譜中產(chǎn)生了靠近鈉線(xiàn)的一條明亮黃線(xiàn)。拉姆齊起初稱(chēng)這種氣體為“氡”，但在他的同事威廉·克魯克斯指出這條黃線(xiàn)與洛克耶在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)的那條黃線(xiàn)位置完全相同后，讓森意識(shí)到它實(shí)際上就是氦線(xiàn)。他后來(lái)把“氡”這個(gè)名字給了另一種氣體。其實(shí)，光譜學(xué)早在這之前27年就準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到了地球上存在氦元素。

女性建功

下一個(gè)重要角色是1900年出生的塞西莉亞·佩恩。1919年，佩恩贏得獎(jiǎng)學(xué)金入讀劍橋大學(xué)紐漢學(xué)院，主修植物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)，但無(wú)法獲得學(xué)位——?jiǎng)虼髮W(xué)直到1948年才給女性頒發(fā)學(xué)位。1923年，佩恩離開(kāi)英國(guó)前往美國(guó)。僅兩年后，她就發(fā)表了一篇相當(dāng)出色的論文，證明太陽(yáng)主要由氫組成。但被時(shí)代原因所限，直到兩名男天文學(xué)家各自獨(dú)立地得到同樣的結(jié)論后，佩恩的觀點(diǎn)才被全面認(rèn)可。

到20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家（當(dāng)然不包括本生和基爾霍夫）終于知道了：原子是由小小的中心原子核，以及與它相隔一定距離的一個(gè)或多個(gè)電子組成的。當(dāng)電子吸收光線(xiàn)的特定波長(zhǎng)，躍遷到原子內(nèi)部的一個(gè)更高能級(jí)時(shí)，就會(huì)在光譜中產(chǎn)生暗線(xiàn)；當(dāng)電子能級(jí)下降，并且以光線(xiàn)的光子（這在當(dāng)時(shí)也是不知道的）形式釋放輻射時(shí)，就會(huì)在光譜中產(chǎn)生明線(xiàn)。佩恩測(cè)量了恒星光譜中的吸收線(xiàn)，并且證明了溫度（尤其重要）和恒星大氣壓會(huì)影響大氣原子的離子化。當(dāng)一個(gè)原子或分子失去或得到電荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生離子化。每顆恒星的光譜都不同，這不是由于恒星的組成不同，而是因?yàn)楹阈谴髿鈱又械碾x子化數(shù)量不同。

佩恩解釋了數(shù)百條夫瑯和費(fèi)譜線(xiàn)中的這一復(fù)雜模式，并且弄清了很重要的一點(diǎn)：要想解釋這些觀測(cè)結(jié)果，必須計(jì)算出處于不同離子化階段的不同元素的比例。她算出了太陽(yáng)和恒星的18種元素比例，發(fā)現(xiàn)它們都有接近相同的組成。但更大的驚奇是，按照她的分析，太陽(yáng)和恒星幾乎全部由氫和氦組成，而其他所有組分加起來(lái)，僅占恒星組成中的2%——所有的恒星都是一樣的。也就是說(shuō)，宇宙中大多數(shù)物質(zhì)都以?xún)煞N最輕元素——?dú)浜秃さ男问酱嬖凇?/p>

佩恩堅(jiān)信自己的結(jié)論無(wú)誤，但在1925年，這個(gè)說(shuō)法幾乎無(wú)人相信。在佩恩的上司哈羅·謝普利把她的論文發(fā)到普林斯頓大學(xué)接受第二次審查時(shí)，后者的回答是：佩恩的研究結(jié)論“很明顯不可能”。按照謝普利的建議，佩恩在這篇論文中加了一句：“恒星大氣層中存在巨量氫和氦，這幾乎完全不真實(shí)?！迸宥髟谡撐谋唤邮?，并獲得博士學(xué)位后寫(xiě)了一本書(shū)——《恒星大氣層》，希望天文學(xué)界的同行們能接受這樣一個(gè)事實(shí)：她的研究結(jié)論幾乎確定無(wú)疑。

最終，佩恩的結(jié)論被科學(xué)界認(rèn)定，而原因也是有其他天體物理學(xué)家先后獨(dú)立證實(shí)了她的發(fā)現(xiàn)。1928年，德國(guó)天文學(xué)家阿爾布里希特·昂索德對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行了更詳盡的光譜分析，發(fā)現(xiàn)其中氫線(xiàn)的力度暗示：太陽(yáng)的氫原子數(shù)量是其他任何一種原子的大約100萬(wàn)倍。1929年，運(yùn)用一種不同的光譜學(xué)技術(shù)，愛(ài)爾蘭天文學(xué)家威廉·邁克科里證實(shí)了這一結(jié)論。

到20世紀(jì)20年代末期，天文學(xué)家已經(jīng)知道恒星的組成——大部分是氫和氦，還有可運(yùn)用光譜學(xué)技術(shù)測(cè)定比例的其他元素。