宇宙大喷发-星系的形成

萝莉Small_Lo

自转天体两极旋涡作用

这是一张从空中俯瞰的飓风中心图，云团围绕飓风中心做圆周运动，很类似恒星形成之初的情景。
飓风是从海面吸取水气，在上升过程中变成云团，然后云团从中心向四周扩散。不是把云团从四周吸到中心来。云团是扩展的，而不是收拢的。天体形成也是一样的，是由内向外形成的。只不过，天体是两极都向中心吸取气体，就像把两个飓风倒过来叠加在一起。
天体的形成模式是，从两极向中心吸取气体，气体中的微尘，留在中心形成固体球，气体从赤道渗出形成大气。大气挟带宇宙空间的微尘后，向两极流动，再次从两极吸入，形成循环。
天体内核有了磁性以后，吸入气体中的部分铁元素依附到内核上，硅、铝、碳等其它元素往赤道方向渗透，形成天体外壳。天体外壳最初是在液态氢中沉积形成，当温度升高，氢元素气化渗出后，轻元素沉积形成外壳，天体外壳最初是由沉积岩构成。

早期天体形成图。天体从两极吸入低温气体，形成温度较高的圆盘，从赤道圆盘渗出高温气体和物质。哈勃太空望远镜图片

天体进行核聚变需要的氢元素，是从两极吸入的。吸入数量受吸入口孔径大小限制，也与自转速度的快慢引起的压力差大小有关，与天体质量并不完全成正比关系。天体产生热量的多少，不像它们质量体积相差的那么大。天体两极吸入口孔径大致在相同时期固化，相对而言，无论天体质量大小，其吸入口孔径差别不大，早期每个天体产生的热量大致都是一样的。在天体外壳溶化解体前，不能完全按天体的质量来计算天体产生的热量。
天体中心旋涡的作用是强大和持久的。在地球上也是如此。地球的北极因为完全被水覆盖，失去吸入气体的能力。南极尽管有大陆和冰层阻挡，但仍能从冰缝、南极干谷和冰洞以及陆地缝隙中吸入气体。失去了从北极吸入气体的顶托作用，南极吸入的气体产生向北的推动作用，地壳板块基本向北漂移，火山、地震也多分布在北半球，地球南半球和北半球的气候有所不同。
天体两极旋涡在天体形成和演化中的作用表现在：早期吸入各种固体元素增加天体内核、放热层、外壳的质量。后期吸入氢气为核聚变反应提供原料。促使岩浆、气体在天体内部循环，为铁核运送补充铁元素。

天体喷发图。天体从两极喷出高温气体物质。图中显示，天体喷发后期，喷发力量减缓，受自转旋涡内吸作用，形成沙漏状星云。喷发最终将停止，重新从两极吸入氢元素，内部重新发生氢热核反应，能量积累到一定阶段后，将重新喷发。哈勃太空望远镜图片

第六节  万有引力定律

万有引力是指任意两个有质量的物体存在着通过连心线方向上的相互吸引力。引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，万有引力与物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。
天体物理学也把万有引力表述为，具有质量的物体之间加速靠近的趋势。同理可证，当一个外力推开两个有质量的物体时，只要外力是持续的，即使不增大，两个物体也呈加速离开的趋势。
万有引力据说是牛顿在苹果树下休息时，被掉下来的苹果砸到头上，触发灵感发现的。
在地球上引力的吸引作用赋予物体重量并使它们向地面下落。万有引力也是太阳和地球等天体之所以存在公转和自转的原因；没有万有引力天体将无法相互吸引形成天体系统。万有引力同时也使地球围绕太阳运转，月球按照自身的轨道围绕地球运转。
万有引力是物质之间相互作用四种力中最小的力，但也是作用距离最远的力。其它三种力是电磁力、强核力、弱核力。
万有引力作用中容易被忽视的两个问题。
一、万有引力是以物质内部结构力为基础的。物质对其他物质的引力不能超过物质自身的结构力。
二、在一团物质内部，每个位置的物质受到的引力其实是合力，由于相反方向引力的抵消作用，不同位置的物质受到的引力合力是不一样的。

第七节  物质的玻色—爱因斯坦凝聚

在无限接近绝对零度时，物质会出现玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚是指原子在冷却到绝对零度附近时所呈现一种气态的、超流性的物态。
绝对零度是热力学的最低温度，为仅存于理论的下限值。写成 0K，等于摄氏温标零下273.15度（−273.15℃）。
爱因斯坦曾于1925年预言，如果将某些原子气体冷却到足够低的温度，那么所有原子会突然凝聚，混乱的物质将会在顷刻之间转换成高度有序的物质状态。物质的这一状态后来被称为玻色－爱因斯坦凝聚。
最早的的玻色-爱因斯坦凝聚是康奈尔和威曼及其助手在天体物理实验室联合研究所于1995年6月5日制造成功的。四个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒独立地获得了玻色-爱因斯坦凝聚。2001年康奈尔、威曼和克特勒为他们的研究结果共享诺贝尔物理学奖。
玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。极其微小的相互作用足以使它分解为单一原子的状态。
玻色-爱因斯坦凝聚在天体形成和演化过程中具有终结者的作用。主要由铁元素和轻元素组成的天体残骸，由于铁元素和轻元素的吸能反应，使天体残骸温度无限接近绝对零度，出现玻色-爱因斯坦凝聚。在自转离心力作用下，天体残骸重新分解为单原子并散开，成为形成新天体的原料。就像微生物把动植物残骸分解还原成有机物，重新回到自然界，被其它生长中的动植物重新吸收一样。

第二章  恒星形成的一般过程

天体的形成可以分为恒星的形成和行星的形成。两者的形成有共同的原理，也有各自不同的特点。本章主要讲述恒星形成的一般过程。
恒星的形成包括超大质量天体和普通恒星的形成。超大质量天体和早期恒星是不对外发热发光的。
即使往天空中最黑的地方望去，那里也肯定有物质，只是密度比地球上小了无数倍。事实上，那里的原子数量比地球上的真空环境里的原子数量还要少。
地球上目前人工技术所能达到的最真空的环境，每立方厘米空间中仍然有几百万个原子。
我们在宇宙空间中选定一个没有任何恒星但原子数量稍多的，温度接近绝对零度的区域，作为恒星的起源区域。为什么要选择原子数量密度稍多的区域呢？理由很简单，因为不做这样的选择，就意味着恒星可以诞生在任何空间。这显然是不符合事实的。事实上，天文观测也证实宇宙空间中确实存在原子数量稍多，甚至很多的区域。
这个区域内存在着气体和微尘。气体主要由分散的氢原子和氦原子构成，这些原子有时也以分子存在，即双氢原子和双氦原子，密度约为每立方厘米几百万个。但总的来说，物质分布仍然还是很稀薄的。
比氢原子和氦原子还要稀少的是微尘。理论推算氢原子数与微尘数之比是三兆亿比一。微尘实际上就是比氢原子、氦原子质量大的其它原子。微尘在恒星的形成和演化中将起很重要的作用，甚至是决定性的作用。恒星形成大致可以分为以下几个阶段：

第一节  氦元素阶段

这个阶段主要是由氦元素作用形成恒星初级内核。
氦是宇宙中含量仅次于氢的元素，约占宇宙总质量的24%。氦的熔点是摄氏-272.2度，仅比绝对零度高0.95度，沸点为摄氏-268.93度。当温度低于摄氏-270.97度时，氦性质突变，粘度极小，成为一种超流质，能沿容器壁向上流动。热传导性为铜的800倍，成为导热性能极佳的热导体。这些温度数据都是地球数据，在宇宙空间可能会发生变化，但不影响恒星演化总的进程。
在氦元素的最初阶段，是氦元素形成星云。
无限接近绝对零度的原始宇宙，从玻色—爱因斯坦凝聚中扩散出来的原子，在宇宙微波背景辐射温度（约摄氏-270度）的孵化下，逐渐升温。原子核外面的电子开始绕原子核运动，铁原子产生磁性，其它原子带上电荷。



哈勃太空望远镜拍摄的柱状星云
当温度升到摄氏-272.2时，氦原子开始热溶液化，热溶后的氦原子附在微尘上，并围绕微尘旋转。这个过程几乎同时发生在整个氦原子数量稍高的区域，在一个很大的宇宙空间区域内挂满了氦水滴。这就是天文望远镜看到的星云。



星云图。哈勃太空望远镜拍摄的柱状星云。与氦元素升温形成的星云不同，图中显示的是由天体喷发出来的高温物质冷却形成。带有同种电荷，有相斥作用，一般不会直接形成新的天体，将冷却后消散.



星云相撞放电图。图中显示带不同电荷的星云相撞时发生的巨型闪电。相吸作用使星云呈现明显的向内收缩。哈勃太空望远镜图片
由于在同样环境下形成的带电粒子往往带有同一种性质的电荷，同种电荷具有相斥作用。这时候的氦星云，就像冬天里的大雾一样，尽管很浓厚，但很难凝聚成水滴，形成降雨。这时的氦星云无法直接凝聚形成恒星，
这些细小的带同种电荷的氦小水滴凝聚成更大的水滴，直至形成恒星是需要条件的。这个条件就是一团带正电荷的氦星云撞上一团带负电荷的氦星云。当两团带不同电荷的氦星云相撞时，由于电荷和磁铁异性相吸的作用，迅速凝聚成团，就像夏天的雷阵雨一样，出现很大的水滴。人们经常用硬币大的雨点来形容夏天雷阵雨的雨滴。夏天雷阵雨形成大水滴的过程，因地球引力，大水滴降到地面上而中断。氦大水滴的形成过程，因周围没有大的引力影响而持续下去，最后形成很大的氦水球。
地球上两团带不同电荷的云团相遇时，发生剧烈的闪电现象。从拍摄到的闪电图看，与宇宙中带不同电荷的星云相撞情形十分相似。

星云相撞放电图。图中显示巨大的带不同电荷星云相撞时，发生大范围的剧烈放电。哈勃太空望远镜图片

两团带不同电荷的氦星云相撞后，正电荷和负电荷通过放电凝聚后变成中性，不再具有引力和斥力，能够被万有引力所吸引。

因磁性吸引而凝聚的铁原子，磁性不会消失，仍对其它铁原子有磁吸引力。最先凝聚成以铁元素为核心的较大物质团。铁原子聚集到一定质量后，因磁矩相互抵消，对外不显磁性，需要重新磁化。氦水滴围绕铁原子团旋转，重新磁化铁原子团，铁元素磁化过程存在于整个天体演化过程。磁化后的铁原子团具有斥力和引力。自转中的磁化铁原子团与其他含有磁化后铁原子团的氦水滴相遇时，有时相斥，有时相吸。相吸时会溶化在一起，增加体积。相斥时会得到推力，增加相对运动速度。

在最初形成氦水球的时候，主要是磁力起作用。磁力在近距离内，远大于引力。只有氦水球变得很大时，才对周围中性的氦水滴产生引力作用。吸引这些氦水滴加入氦水球。
两个以磁性铁原子为中心溶在一起的氦液滴，磁力吸引周围其他以磁性铁原子为中心的氦水滴靠近。当第三个氦水滴加入时，由于第三个氦水滴带有惯性力，不可能平衡加入，第三个氦水滴的运动加速度转化成氦水球的旋转加速度，恒星产生了旋转。随着加入的原子团越来越多，旋转越来越快，恒星的体积也越来越大。恒星内各元素的排列顺序在同一元素聚集效应下，由内向外，由轻到重排列。由于磁力远大于引力和离心力，铁元素聚集在中心。
恒星形成的动力是恒星的自转。恒星的自转必然在恒星的两极位置形成压力差，产生类似飓风眼的两极旋涡。
恒星形成过程是自内向外的，而非现在一般认为的自外而内形成的。
具体过程是，早期恒星的中心旋涡不断从两极把氢气、氦气和其它重元素吸入恒星内部中心，在两极压力下，中心气体向赤道方向渗出。吸入气体挟带的铁元素被磁性吸附到磁铁内核上，其它重元素在向赤道渗出的过程中，停留在相应的元素分布环带上，氢气和氦气渗出，完成循环。
观测天文学家看到的环绕星盘状天体是恒星形成自内向外的的证据。环绕星盘的形状表明：一、早期恒星体积不够大，引力不够强，不能把恒星吸附成圆形。二、环绕星盘是从赤道渗出的物质。由外向内的引力聚拢不可能形成环绕星盘。
氦液的极度光滑和优良的热传导性，恒星各部分的密度、温度一致，恒星结构极为均匀，旋转消耗很少能量，每一个氦液滴携带的加入动量几乎全部成为旋转动量，为恒星的加速形成，创造了极为有利的条件。
就像没有机油润滑，机器不能运行一样，没有氦液的光滑和热传导，恒星的演化也是不可能的。
氦水球内的放射性元素核衰变放出热量，巨大的氦水球均匀升温。当温度达到摄氏-268.93度时，氦液开始沸腾、气化蒸发。而溶于氦液中的各种元素分层结晶固化，形成恒星固体内核。恒星固体内核就像人的心脏一样，是恒星演化不可缺少的，固体内核的形成是恒星形成关健的一步。
这时候的恒星固体内核，由于在形成过程中受到很小的重力影响，离心力对元素的排列起主导作用。早期恒星固体内核的结构，由内向外是：铁，轻元素，重元素，放射性元素，外面包围着氦、氢大气层。
放射性元素和重元素位于最外层对恒星的下一步演化具有重要的意义。这时恒星演化进入后氦元素阶段。
后氦元素阶段是指恒星温度高于摄氏-268.93度，低于摄氏-259.14度。即氦元素气化后，氢元素液化前。由于放射性元素位于表面，这时恒星是表面升温，而非内部升温。
恒星内核这时存在三种运动：自转圆周运动，呼吸运动，相对运动。
自转圆周运动是恒星的自转，把各元素按原子质量大小聚集到各分布带上。
呼吸运动从两极气眼吸入气体和微尘，从赤道呼出气体，微尘增加固体内核质量。

哈勃太空望远镜图片。图中显示，赤道呼出的气体和物质又被从两极吸入天体内部。
相对运动是指恒星并非原地不动，而是四处追逐吸收物质。恒星内核在磁铁的斥力作用下获得相对运动速度。在磁力和引力的共同作用下，质量大的固体内核运动速度大于其它物质团的运动速度。这种速度差距使得恒星固体内核象在追逐食物一样，追逐吸收其它物质团，从而加快恒星内核的成长。
经过长时间的追逐和碰撞，由于磁力异性相吸，同性相斥的特性。相吸的物质团融化结合在一起，相斥的物质团被强力推开。在一个很大空间里，只剩一个恒星，其它恒星被排斥加速离去。
恒星固体内核表层的放射性元素继续发生核衰变，固体内核表层继续升温，恒星演化进入氢元素阶段。

第二节  氢元素阶段

氢是宇宙中含量最多的元素，约占宇宙总质量的75%。氢的熔点是摄氏-259.14度，沸点为摄氏-252.87度。氢元素在摄氏1000万度高温时，发生核聚变反应，生成氦，放出大量热量。
氦元素气化后形成的恒星固体内核，表层放射性元素核衰变继续产生热量，恒星固体内核表层继续升温。
温度升高到摄氏-259.14度，靠近恒星固体内核表层的氢元素开始液化。受恒星内核引力作用，恒星下起氢元素毛毛雨。氢气变成氢水滴，体积大大缩小。外围氢气挟带其它元素不断向恒星固体内核涌来。这种类似毛毛细雨的过程可能要持续数千万年甚至数亿年时间，恒星固体内核表层变成一个氢的海洋。恒星质量大大增加，引力增加，旋转加快。
在氢元素的海洋里，受重力影响，各种元素开始沉积。其中最重的放射性元素最先开始沉积，与原恒星固体内核表层的放射性元素叠加。然后是重元素沉积，最后是轻元素沉积。元素排列的顺序与氦元素阶段刚好相反。
当温度升高到摄氏-252.87度，氢元素气化蒸发。恒星吸收来的各种元素形成更大的恒星固体球。恒星由于氢元素的气化渗出而呈蜂窝状，类似地球的火山爆发形成的火山口和海底烟囱。由于放射性元素位于位于恒星固体球中间层，外层有轻元素沉积形成的外壳。放射性元素核衰变发生在恒星固体球中间层。这时恒星与最初形成时表层升温相反，是内部升温。
经过氦、氢两次形成过程，恒星固体球结构由内向外是：内核，中间层，外壳，大气内层，大气外层。这是所有大质量天体的基本结构。
内核就是氦元素阶段形成的整个内核，主要由轻元素和铁组成。受中子撞击发生核裂变时吸收热量，温度不会升高，一直呈固体状态。一旦受热溶化，意味着恒星死亡。
中间层由重元素和放射性元素组成。放射性元素发生核衰变，重元素和放射性元素受中子撞击发生核裂变时产生热量，温度不断升高，达到摄氏1000万度时，激活氢热核反应。中间层是恒星产生热量的地方，也是恒星内部温度最高的区域。
外壳主要由轻元素组成。受中子撞击发生核裂变时吸收热量，呈固体状态，和外围氢氦大气层一起起保温作用，促使内核温度升高。
恒星固体球形成后，同样有三种运动：自转圆周运动，呼吸运动，相对运动
氢元素阶段恒星的自转圆周运动，在磁力、重力和离心力共同作用下，把各元素按原子质量大小聚集到各分布带上。但排列顺序与氦元素阶段相反，中心是铁元素，中间层是放射性元素和重元素，外层是轻元素。
呼吸运动从两极气眼吸入气体和微尘，从赤道呼出气体。对元素聚集起干扰作用。呼吸运动在氢海洋时候中断，氢海洋蒸发后恢复。



哈勃太空望远镜图片。图中显示，赤道呼出的气体和物质又被从两极吸入天体内部。
相对运动是指恒星相对周围物质的加速运动，如果受到大质量天体中心引力的作用，这种运动就会变成公转运动。

第三节  升温阶段

恒星的升温包括热量的产生和保护热量不被流失两个方面。
恒星热量的产生主要在中间层。
核裂变具有由慢中子引发的特性，速度很快的中子要经过减速后，才能引发核裂变。宇宙射线中的高能粒子速度很快，只有经过恒星外壳物质减速后，才能被中间层的放射性元素和重元素俘获，发生核裂变反应。聚集在中间层的放射性元素发生衰变，产生热量，宇宙射线撞击放射性元素和重元素也发生核裂变，产生热量。
放射性元素和重元素核裂变放出更多的中子，向四面八方射出。射向不同方向的中子，引发不同的核裂变。
横向射出的中子引起中间层其他放射性元素和重元素的核裂变，在超过临界体积时，不时发生链式放能核裂变反应，即原子弹爆炸。
向内射出的中子使铁及轻元素发生吸能核裂变反应，保护内核不被溶化。最初的恒星内核有铁和多种轻元素，但只有铁、镍具有磁性，能够得到吸附补充。其他元素都被核裂变消耗掉。最后，恒星内核只剩下铁、镍等具有磁性的元素。
向外射出的中子，引起外壳轻元素的吸能核裂变反应，保护外壳不被溶化，起保温作用。
恒星外壳起到主要的保温作用。恒星表层的液体海洋和外围的大气层也起一定保温作用。深遂的海洋和浓厚的大气层产生巨大的压力。恒星内部升温产生的压力，只要不超过海洋和大气层的压力，恒星外壳就不可能被冲破。恒星的保温层包括外壳、海洋和大气层。恒星内部升温是外壳、海洋和大气层共同保温作用的结果。
有一种观点认为，恒星内部升温是由于恒星质量增大，内部压力越来越大引起的。这种说法，既缺乏理论依据，也与天文实际观测结果不符。起码在太阳系内是错误的。
太阳系内天体中，木星的质量是地球的317.94倍,密度只有每立方厘米1.33克,而地球的密度高达每立方厘米5.52克，是木星的4倍。地球总质量小而密度大。可见，天体的质量与天体的密度并无直接关系。
地球内部的最高温度大约为6000度，为了比较和方便理解，我们把内部温度升到6000度时的太阳与地球做一个比较。
地球内部温度为6000度，地球内部受热溶化的气体和岩浆层半径厚度约2800公里，外壳厚度约60公里。同理，当太阳内部温度为6000度时，其内部气体和岩浆半径厚度也应为约2800公里。太阳半径约为70000公里，除去2800公里的气体岩浆层，太阳此时外壳厚度超过60000公里。这样厚度的外壳和浓厚的大气层，在加上可能存在的表层海洋，足以让太阳外壳在内部温度比地球高得多的情况下，不会被冲破。恒星内部能达到的最高温度由外壳厚度、表层海洋和大气压力决定。今天太阳已失去外壳，说明太阳内部在太阳有外壳时的温度要比现在高得多。
恒星内部温度升高的过程，是受热气体层和岩浆层变厚的过程，同时也是恒星外壳溶化变薄的过程。
当恒星中间层温度升高到1000万度时，恒星进入氢热核反应阶段。

第四节  核聚变反应和对外喷发阶段

超新星爆炸是宇宙中的大事件之一。世界各国历史上，都有有关超新星爆炸的记载。
科学家推算公元前18000年前发生的一次超新星爆炸，其亮度可能达到八月十五中秋节月亮的亮度。在1604年，天空中出现的明亮恒星，连续几个星期的白天都能看见。1987年，在麦哲伦星云发生的超新星爆炸，是人类最近400年看到的最惊人的恒星现象之一。
有的超新星爆炸，其亮度是太阳的1亿倍，几个小时之后它的亮度等于整个银河系亮度之和。



超新星爆炸图。图中天体首先从西北、东南方向喷发，喷发地程中，外壳全面解体，发生爆炸。哈勃太空望远镜图片
超新星爆炸至少确定两个事实：一，某些恒星里面贮存了巨大的能量。这种能量只可能是长期积累的结果，不可能瞬间产生。二，恒星有某种机制能约束如此大的力量。
超新星的巨大能量是怎样积累起来的？约束如此大的力量的机制是什么？
恒星中间层的核衰变和不时的原子弹爆炸，产生大量的热量。厚厚的外壳在外层压力的支持下，阻挡了热量的向外散发。热量聚集在中间层，中间层达到很高的温度。
恒星中间层温度升高到1000万度时，氢元素发生核聚变生成氦，产生更多的热量。恒星中间层温度继续升高。
外壳较薄的恒星，经过一次或者多次的向外喷发，外壳被溶化，对外发光发热，形成可被观测到的恒星。
外壳较厚的恒星，继续升温。
氢热核反应的规模是受限制的。恒星两极气眼吸入氢元素的数量和氢元素转化为同位数的反应周期是两个主要限制。
现在流行的理论认为，氢元素热核聚变的规模受氢元素反应周期的限制。氢元素反应周期是指氢元素需要数十亿年才能转化为同位数进行热核反应。这个反应周期如果仅是根据所谓的电脑太阳模型得出来的，则可能是错误的。恒星两极气眼吸入氢气的数量同样会对恒星氢热核反应的规模进行限制。
恒星内核和外壳进行的吸热核裂变反应也吸收了相当部分的热量，从而使恒星内部的升温是平缓的。这种平缓存在于恒星整个运行过程中。
观测天文学家已经观察到宇宙中的一些小盘气体内部已经对外发出射线。这是恒星内部已通过氢热核反应升温的证据。
恒星内部温度升高到1亿度时，氦元素开始聚变成碳元素。如果这时恒星外壳仍没有被冲破溶化，恒星演化将会发生一些特殊变化。碳是轻元素，是恒星外壳的组成元素。碳元素的生成，意味着常温下气体物质氦转化为固体物质碳，恒星外壳物质开始得到补充，恒星固体外壳质量增加，恒星外壳变薄速度减慢，甚至停止。恒星内部气体岩浆层的变厚不再意味着外壳的变薄。
恒星中间层温度升高到6亿度时，碳聚变成氖、氧。
恒星中间层温度升高到12亿度时，氖聚变成氧。
恒星中间层温度升高到15亿度时，氧聚变成硅。
恒星中间层温度升高到27亿至35亿度时，硅经过复杂的过程聚变成铁。
没有报道表明元素核聚变的温度与压力无关。如果核聚变的温度与压力有关，在恒星内部巨大压力下，元素核聚变所需的温度大大降低。
碳、氧、硅、铁都是恒星外壳的组成部分，这些元素都能使恒星外壳变厚。这些元素也都是轻元素，在中子撞击下发生吸能核裂变，吸收热量，保护外壳不被溶化。
从恒星内部核反应过程可以看出，恒星外壳在恒星内部升温过程中，随时可能被溶化掉，但也有可能永远不被溶化。
观测天文学家已经观察到有些尚未发光的恒星，已经从两极释放强烈气体流。也有的恒星尚未发光，但释放强烈高度集中的射线。这都表明，恒星在对外发热发光前已发生氢热核反应，热量被固体外壳在外层压力支持下约束在恒星内部。



天体喷发图。图中天体从赤道180度方向双向喷发。气体顶端没有从两极喷发特有的旋涡。天体的喷发多数发生在赤道方向，由于自转作用，赤道喷发的物质很快环绕天体，天体本体经常无法看到。地球上只能看到一团气体状物质。哈勃太空望远镜图片
恒星外壳溶化的时间和溶化方式的不同，形成了我们看到的形形色色的不同的恒星。恒星外壳从固体到溶化的过程，合理解释了天体物理学中的种种谜团。黑洞、活跃星系、类星体、黑矮星等看起来很神秘的天体，其实是不同质量的天体由于外壳的变化过程，在不同阶段的表现。

第五节  恒星的消亡

万物皆有生死，恒星也不例外。恒星的死亡也可分为正常死亡和非正常死亡。
恒星正常死亡包括内核消亡和呼吸消亡。
恒星内核消亡是指内核消失，恒星失去重心，无法稳定运行，自转时内部气体和岩浆荡来荡去，恒星剧烈摇晃，导致气体岩浆向外扩散。主要发生在质量较小的恒星。这种恒星外壳较薄，大气压力较低，内部温度低于1亿度，无法生成碳、硅、铁等固体元素，外壳和内核的元素得不到补充，内核的铁元素核裂变消耗完。
红巨星就是这种情况。



红巨星图。图中天体失去铁内核，无法稳定运行，自转变成剧烈的摇晃，气体物质四处散开。图中上方一条弧形分布带显示了天体的摇晃。哈勃太空望远镜图片
红巨星是质量较小的恒星长期运行过程中，铁内核不断受到中子撞击发生吸热核裂变，保护铁内核呈固体状，铁元素不断被消耗掉。这种恒星内部温度较低，不发生形成铁的核聚变反应。当内核铁元素消耗完毕后，气体和岩浆层向外扩散，温度降低，形成红巨星。如果铁元素消耗完毕，碳元素仍有剩余，在降温过程中，碳元素冷却固化，恒星形成碳内核，成为钻石星。
呼吸消亡是指恒星大气层中的氢元素全部被吸入发生核聚变，消耗完毕。恒星气眼只能吸入氦气，而内部温度又低于1亿度，不足于发生氦核聚变。恒星内部只发生吸能核裂变，恒星快速降温。
脉冲星就属于这种情况。
脉冲星的内核和外壳都还存在，只是中间气体层充满的是氦气。原来被溶化的外壳，冷却后重新形成固体外壳。与恒星升温时外壳越来越薄相反，降温时恒星的外壳越来越厚。随着温度降低，气体和液体凝结成固体，恒星体积收缩，自转越来越快。恒星残骸内部温度低于摄氏-270.97度时，外壳和内核之间的氦液体，性质突变，粘度极小，成为一种超流质，就象一种性能极好的润滑油。恒星外壳几乎毫无阻力的围绕内核旋转，高速切割铁内核发出的磁力线，成为一台巨型发电机，对外发出极强的有规律的射线。
恒星的非正常死亡主要是指恒星的爆炸消失。恒星外壳解体时的爆炸把除铁内核外的全部物质抛散出去，恒星只剩铁内核。观测天文学家现在看到的黑洞，有一些就是这种情况。

第三章 星系与银河系

第一节  星系概述

在对宇宙空间的观测中，观测天文学家发现，天体总是一团一团的聚集在一起，形成星系。一团天体与另一团天体之间有明显的分确，分界区域的空间物质极为稀薄。据估算，分界区域的空间每立方米只有一个原子，物质密度大大小于星系内部。
宇宙中星系数量巨大，在地球上把望远镜对准一个肉眼看来最不可能有天体的缝隙看出去，最后的结果是发现那里有一万个星系。每个星系中的恒星数量也非常巨大，每个星系大约有一千亿颗恒星，比有史以来人类的总人口还多。宇宙中现已观测到的全部恒星，加起来比地球上全部海滩和沙漠里的沙子总数还要多，约有20万亿亿。加上因不对外发光发热，难于被观察到的其它天体，宇宙中天体的数量更是惊人。
星系有各种各样的形状。主要有圆形星系、椭圆形星系，螺旋形星系、螺旋形棒状星系和不规则星系。其中椭圆形星系数量最多。
观测天文学家还发现，常有多个星系汇集在一起形成星系群。星系群中央多为椭圆形星系，外沿多为螺旋形星系。
除星系和星系群外，观测天文学家还发现了活跃星系和类星体。
活跃星系的特征是：不发出可见光，只发出射线，拥有的能量巨大，比银河系还多，每秒钟放出的能量，相当于太阳一年放射出的能量。相当于一颗恒星的空间挤进了上千颗恒星。有的活跃星系有明亮的核心，有的活跃星系形状象长了一对翅膀。
类星体的特征是：体积小，不发光，发出的射线强大并且每天发生变化。
天文观测还发现，大部分星系所含物质总数是相近的，都包含了约一千亿颗恒星。少量星系可包含多达一万亿颗恒星，也可少到10亿颗恒星。
为什么会有星系？星系是怎样形成的？为什么星系有不同的形状？活跃星系和类星体是什么回事？
巨大星系的形成原理与太阳系形成的原理是一样的。甚至与地球形成月亮的原理也是一样的。
天体经过氦元素阶段，氢元素阶段，升温阶段和核聚变反应阶段后，进入运行演化过程。由于形成环境不同，天体内部结构各层次的比例不同，走上不同的演化道路。
圆形星系是由一颗超大质量天体演化而来。我们把这颗超大质量恒星称为圆形天体。实际上，几乎所有的天体的都是圆形的，称之为圆形天体是指其演化结果最后成为圆形星系。



圆形星系图。图中显示恒星分布在超大质量天体解体后的圆形物质分布带中。哈勃太空望远镜图片
圆形天体是发育最完全的天体。在核聚变反应阶段，反应生成的碳、氧、硅、铁等元素不断补充天体外壳，天体成为一条元素生产线，不断把气体元素氢、氦变成碳、氧、硅、铁等固体元素，外壳不断扩张，包容更大的体积和能量。气体元素质量不断减少，固体元素质量不断增加。天体内核和外壳的吸能核裂变吸收一部分热量，穿透外壳向外射出的射线带走一部分能量。当天体放热层核裂变和核聚变产生的热量与被吸收、包容、散发的热量达到平衡时，外壳仍然没有被冲破。
这样看起来，圆形天体就要成为永不可破的天体了，因为外壳厚度仍在不断增加，而内部能量产生，因受两极气眼吸入氢元素数量和氢元素反应周期的限制，已达到最大值，不可能再增加了。
其实不尽然，堡垒是最容易被从内部攻破的。圆形天体外壳越来越厚，质量越来越大，看似坚不可摧。但物极必反，天体外壳的末日到来了，万有引力发挥作用了。当天体外壳受到的引力超过外壳物质自身的结构力时，由于万有引力的立体性，全部外壳受到同样的引力，外壳全部解体，在同一瞬间分解为单原子，圆形天体外壳崩溃。内部气体在高温高压作用下向周围全面喷发，形成圆形的物质分布带。新的恒星在其中生成，形成圆形星系。
圆形星系也可以由椭圆形星系、螺旋形星系演化而来。
圆形天体是宇宙天体所能达到的最大质量，超大质量产生的引力超过物质的结构力，是天体质量的极限。也是万有引力的极限。
椭圆形星系是由椭圆形天体演化而来。椭圆形星系的形成与圆形星系有所不同。
椭圆形超大质量天体在形成过程中，由于自转速度较慢，天体形状呈椭圆形，赤道外壳最薄，天体外壳受万有引力作用是不均衡的。
椭圆形天体外壳被冲破时，引力并没有达到最大值，外壳被冲破不完全是引力作用的结果，天体不是立即全面解体，而是外壳在某一薄弱处被内部高温高压气体冲破，同时，由于巨大的反作用力，在180度相反方向上内部高温高压气体也冲破外壳，气体向两端喷出。
喷发一段时间后，整个天体发生震动，外壳整体破裂解体，内部气体在高温高压作用下向周围全面喷发。
椭圆形星系形成的特点是先喷发，喷发一段时间后，天体外壳全面解体，最后形成椭圆形物质分布带。新的恒星在其中生成，形成椭圆形星系。椭圆形星系通常比圆形星系小，也比圆形星系年轻。



距离地球2000光年的“雪天使”。这是一张天体喷发图，天体先从180方向两极喷发。从图中向下喷出的气体云可以看出，赤道外壳即将全面解体，天体即将爆炸，形成椭圆形物质分布带。哈勃太空望远镜图片



天体喷发图。图中显示从两极喷发结束后，天体本体没有解体，喷出的气体物质扩散围绕天体本体。哈勃太空望远镜图片



天体两极喷发图。图中显示，天体从南北两猛烈喷发，由于自转，两端气体物质略带扭曲。可以看出天体本体仍然存在。喷发结束后，喷发口将封闭，内部再次升温，将再次喷发。哈勃太空望远镜图片



哈勃太空望远镜图片。天体赤道喷发后形成的圆环形物质分布带。喷发口已封闭，还可能再发生多次喷发。
螺旋形星系是椭圆形超大质量天体另一种演化方式。
螺旋形天体外壳被冲破时，引力并没有达到最大值，外壳被冲破不是引力作用的结果。天体不是全面解体，而是外壳在赤道某一薄弱处被内部高温高压气体冲破，同时，由于巨大的反作用力，在180度相反方向上内部高温高压气体也冲破外壳，气体向两端喷出。
喷发过程中，外壳并不破裂，内部高温高压气体喷射一段时间后，内外压力达到平衡，喷射口封闭，就像地球上封闭的火山口一样。天体内部又开始升温，升高到一定程度，产生第二次喷发。
由于天体的自转作用，喷射出来的物质形成螺旋形物质分布带。新的恒星在其中生成，形成螺旋形星系。螺旋形星系通常比圆形星系和椭圆形星系都要小，更年轻。
椭圆形星系和螺旋形星系也可能是同一种星系，只是观察角度不一样。从两极看是螺旋形星系，从赤道看是椭圆形星系。
椭圆形星系、螺旋形星系最终将演化成圆形星系。椭圆形星系、螺旋形星系看起来比圆形星系小，是因为恒星尚未全部形成。



螺旋星系图。哈勃太空望远镜图片

螺旋星系图。哈勃太空望远镜图片
螺旋形棒状星系是天体先是双向多次喷发，在最后一次双向喷发过程中，外壳全面解体形成的星系。

螺旋形棒状星系图。哈勃太空望远镜图片

螺旋形棒状星系图。哈勃太空望远镜图片
不规则星系是天体单向喷发形成的物质分布带，最后形成的星系。实际上超大质量的天体还可能有多次小规模单向或多向喷发，就像地球上的火山一样，喷发形式多种多样。
天体的喷发现象与地球上火山喷发极其类似，只是规模大得多。
活跃星系是超大质量天体尚未完全解体或者解体初段，新的恒星尚未完全形成时期。可演变出各种形状的星系。
类星体是超大质量天体解体后剩下的铁内核。最后变成黑洞。