为什么恒星表面温度那么高?

很久以前,人们就注意到了当太阳出来,大地就充满热量.由于人们发现火的颜色和太阳很接近,就想到太阳的温度一定非常高.后来物理学家认识到了太阳发光的直接原因——太阳可以近似地看作“黑体”,是由于具有温度而引发的电磁辐射,称为“热辐射”.这和煤块燃烧发光、铁水发光是一个道理.不过物理学家从太阳光的颜色判断出,太阳表面的温度远比燃烧的煤和铁水高,大约有5700K.随着对恒星光谱的观察,人们发现太阳只是一颗普通的恒星.只不过由于太阳的信息我们了解得很多,关于恒星的问题科学家们大都从太阳入手解决.所有恒星的表面温度都至少在2000K以上,最高的能达到几万K.那么恒星是如何达到并保持这一温度的呢?就像炉子烧水一样,无论是想把水烧开,还是想让水一直保持沸腾,都要时刻在下面点着火——即需要一个能量源.在原子核物理没有诞生的时候,人们只能以地球上的能量源去想象太阳的能量源.开始,人们想象太阳上的氢像地球上氢气一样进行化学燃烧,但是这种燃烧大概进行几万年,太阳就该寿终正寝了.这个寿命实在是太短了,甚至还不如人类出现的时间长.人们很快否定了这个假设.1854年,一位物理学家亥姆霍兹提出了另一种假设,那就是太阳也许仍处在不断收缩的原恒星状态,靠引力势能转化成热辐射的能量.但是开尔文对此做了细致的计算,得出了太阳以此方式运作,寿命最多不超过2000万年的结论.而当时的地质学家已经从化石中找到生物存在在地球上已有1亿年的证据,以致开尔文一度认为一定是地质学家搞错了.地质学家确实搞错了,不过生物在地球上存在不是不超过2000万年,而是至少30亿年.这意味着亥霍姆兹的想法不可能是正确的.1896年,一次意外的发现打开了困窘的局面.彼克利尔在研究刚发现的X射线性质时发现了铀的放射性.当时普遍认为只有用普通的光线照射原子才会产生X射线(尽管这是错误的),于是他用光照射含铀的矿物,并在一张银箔后面放了用黑纸包住的底片.不久,底片感光了.他认为,这个实验成功地产生了X射线.但当他撤去光照射重复这个实验时,底片仍然感光.这说明铀会自发使底片感光,称为放射性.人们发现,放射性实际就是一种原子自发变为另一种原子时放射出一些粒子(α粒子,即氦核;β粒子,即高速运动的电子)的现象.后来人们认识到,无论是比铅轻还是重的原子,都可能发生放射性衰变,并以α或β粒子的形式释放出能量来.这迈出了解释太阳能量来源的第一步.不过,太阳上天然放射性元素的含量毕竟太少了.于是,1920年爱丁顿采纳了彼林的意见,开始考虑太阳上含量最多的元素——氢(H)和氦(He).1905年爱因斯坦提出狭义相对论以来,物理学家就熟悉了质量和能量是一码事的说法.4个氢原子核比一个氦原子核质量大约1/125,彼林于是提出由4个1H转化成1个4He的同时必然要释放能量,这称为核聚变或热核反应.从元素含量上来看,也确实没有其他方法可以提供如此之多的太阳辐射能了.但是,在20世纪20年代,人们对4个1H如何转化成1个4He,还不是十分清楚.1938年贝思和克利特菲尔德提出,太阳内部进行的热核反应细节应该是如下的情况：(e-电子,e+-正电子,νe-中微子,D-氘,Li-锂,Be-铍,B-硼) 1H+1H=2D+e++νe 2D+1H=3He 3He+3He=4He+21H 或 3He+4He=7Be 7Be+e=7Li+νe 7Li+1H=24He 或 7Be+1H=8B 8B=8Be+e++νe 8Be=24He 尽管反应在有些地方会分岔,但无论以那种方式进行,总反应都是41H=4He.反应产生的e+会和e发生湮灭产生2个γ光子,太阳热辐射就是由于这些γ光子在太阳内部不断与其他粒子作用,波长变长并加热其他粒子造成的.中微子νe同时也带走了一部分能量.由于这个复杂核反应是由1H(质子)不断进入而连接起各个分反应的过程,故称为“质子-质子链”.不仅太阳,小质量主序星的内部进行的核反应都是质子-质子链.贝思于1939年提出了大质量主序星内部进行核反应的情况.后来由劳利特森、否勒进行了发展.具体情况如下：(C-碳,N-氮,O-氧,F-氟) 12C+1H=13N 13N=13C+e++νe 13C+1H=14N 14N+1H=15O 15O=15N+e++νe 15N+1H=12C+4He 或 15N+1H=16O(0.1%可能性) 16O+1H=17F 17F=17O+e++νe 17O+1H=14N+4He 或 17O+1H=18F 18F=18O+e++νe 18O+1H=15N+4He 加粗并划下划线的部分就告诉我们12C和14N这两种最开始需要的原子在反应中是如何“再生”出来的.只需要很少量的12C和14N就可以引起自发的循环反应,所以这种反应称为“碳氮循环”.与质子-质子链一样,碳氮循环的最终反应也是41H=4He,并通过γ光子和中微子释放能量.在温度低于2000万K时,质子-质子链起支配作用;温度高于2000K时,碳氮循环起支配作用.这也是大质量恒星中主要是碳氮循环的根本原因.人们常说的正在研制的“核聚变反应堆”就是想利用质子-质子链的反应原理.但由于反应中分支的情况受条件影响很复杂,现在人们还不能在地球上制造出这种“可控核聚变反应堆”.