星光調(diào)色盤

袁懋

我們時常沉醉于大自然各種絢麗的色彩，藍天白云、紅霞赤日、七色彩虹……其實，天空中最大的調(diào)色盤，是浩瀚無垠的宇宙。它可以調(diào)出萬千色彩，涂抹在各色星辰上，點撒在每處角落中。同時，宇宙也是最深邃的老師，它用這些顏色訴說著天體萬物演化的故事。那么，宇宙中的恒星、亞恒星（質(zhì)量小于恒星的天體）、星云等天體的顏色是如何產(chǎn)生的呢？不同顏色的天體背后又有著哪些物理知識呢？

在日常生活中，我們將紅橙黃一類的可見光歸為暖色系，將青藍紫一類的可見光歸為冷色系。然而，在宇宙中，溫度偏高的恒星呈現(xiàn)的是冷色系的藍、白色，溫度偏低的恒星呈現(xiàn)的則是暖色系的橙、紅色。這是為什么呢？

恒星表面發(fā)光的部分主要由氫組成，引力壓縮使得恒星表面的氫不斷升溫升壓，在高溫高壓的環(huán)境下，氫開始發(fā)生核聚變，產(chǎn)生巨大熱量。氫原子外的電子在獲得熱量后運動發(fā)生改變。在這個過程中，電子會把獲得的熱能變成光子釋放出去。無數(shù)的氫原子不斷輻射出各種光子，于是就產(chǎn)生了我們看到的星光。

量子力學告訴我們，光子能量越高，則波長越短。因此，在高溫恒星表面，釋放出的光子能量多，波長短，顏色就偏冷色系;反之，低溫恒星表面，釋放出的光子能量低，波長長，顏色更偏暖色系。

除了溫度外，宇宙中天體的顏色往往反映了天體自身的許多屬性，如年齡、大小等。我們會發(fā)現(xiàn)藍白星多是巨星，而橙、紅星多是個頭較小的矮星。為什么溫度低的恒星大多體積偏小而溫度高的恒星則體積較大呢？接下來，讓我們一起看看這些天體的色彩“身份證”上都記錄著哪些信息吧。

?天體在溫度、亮度上的分布?？梢钥吹教祗w的顏色和其溫度、大小有著對應(yīng)關(guān)系（0開爾文相當于-273.15攝氏度）

恒星誕生于大片分子組成的氣體云。大團氣體經(jīng)過引力牽引，聚集成球體，然后在引力的作用下不斷向內(nèi)擠壓、升溫，最后達到核聚變的“點火”臨界值，一顆恒星“新生兒”成功誕生。

褐矮星是這批“新生兒”中的例外，它是一顆演化失敗的亞恒星，我們稱之為矮星。演化失敗的最直接原因是誕生初期的氣體云不夠多，聚集在一起的氫氣壓力不足以把它們擠壓到核聚變臨界點。雖然沒有成功進行核聚變，但在引力擠壓過程中，其內(nèi)部仍產(chǎn)生了熱量，其表面有效溫度在200～300攝氏度，輻射出來的光子能量較低，波長較長，因此褐矮星整體呈現(xiàn)出暗褐色或棕色。

恒星形成之前的氣體云團塊有大有小，當部分氣體云十分龐大時，它有可能就會孕育出一顆塊頭很大的恒星。這種恒星質(zhì)量通常是太陽的數(shù)倍甚至幾十倍。

由于大塊頭恒星內(nèi)含有的物質(zhì)更多，在引力作用下向內(nèi)的壓力就越大，由此產(chǎn)生的熱能就越高。這就意味著，大塊頭恒星的表面溫度會更高，可達到數(shù)萬攝氏度，遠高于太陽。這種高溫的恒星，發(fā)出的光子能量更大，偏向藍光。因此，這種大塊頭恒星被稱為藍巨星，更稀有的超大恒星我們稱之為藍超巨星。

宇宙萬物沒有永恒，恒星一樣有年齡和壽命，這就意味著恒星也會有“年老體衰”的一天。當一顆恒星步入晚年時，它會逐步演化到另一個階段——紅巨星階段。

當恒星內(nèi)部的氫經(jīng)過漫長的核聚變后會逐漸枯竭，內(nèi)部在引力的作用下會進一步塌陷。這種向內(nèi)塌陷的擠壓過程會產(chǎn)生更高的熱量。而內(nèi)部物質(zhì)塌陷的同時，外層剩余的氫會填補塌陷空間。這時，內(nèi)部升高的熱量傳導給外層掉下來的氫，導致外層氫聚變的能量急劇升高，從而使外層向外膨脹。雖然外層熱量短暫升高，但由于表面積擴大的速度更快，因此整個表面的有效溫度相較原先的溫度反而有所降低。此時，一顆體積急劇膨脹，表面溫度較低，呈橘紅色的紅巨星便形成了。紅巨星的形成是恒星內(nèi)部開始萎縮導致的，這個階段也標志著恒星步入了晚年。

步入晚年的恒星，內(nèi)核的燃燒劇烈而短暫，因此，紅巨星會在很短的時間內(nèi)演化完畢，進入生命的尾聲。而年邁的恒星在死亡之前，還會以一場絢爛的“焰火”作為謝幕，告別自己“光彩奪目”的一生。這就是一顆恒星“臨終”前留給宇宙的最后獨白——超新星爆發(fā)。

進入紅巨星階段后的恒星，內(nèi)部核聚變會愈發(fā)劇烈，各種原子的聚變相繼發(fā)生，直至最后無物可燃，只剩下鐵核（恒星的核心是鐵原子的內(nèi)核球）。此時的恒星再也沒有向外輻射熱量來對抗引力的能力了，整個恒星外層的物質(zhì)瞬間以極高的速度掉入核心，并產(chǎn)生反彈激波，導致整個恒星發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的大爆發(fā)。內(nèi)核外所有物質(zhì)在數(shù)小時內(nèi)全部噴發(fā)而出，猶如一場壯麗無比的“焰火”表演，它產(chǎn)生的光亮甚至可以照亮整個星系。

哈勃望遠鏡拍攝到的普通恒星天狼星a 以及一顆白矮星——天狼星b

超新星爆發(fā)是恒星“臨終”時內(nèi)核球外部物質(zhì)的爆燃，但它的內(nèi)核球作為“臨終”的“殘骸”，將會保留下來并在超新星爆發(fā)時演化成其他天體——白矮星或者黑洞。太陽在未來就有可能剩下一顆白矮星“殘骸”。

由于是由恒星的內(nèi)核球演化而來，因此，白矮星是極為致密的天體。其大小一般只有行星大小，但密度卻是一般恒星的百萬倍。

絢爛的星空仿佛打翻了的調(diào)色盤，天體們閃耀著各色光芒，也傳遞著自身演化的身份信息。

?超新星爆發(fā)時的概念圖（圖片來源/美國國家航空航天局）

?超新星遺跡——蟹狀星云（圖片來源/哈勃太空望遠鏡）