在我们所处的星系之中,有85%的恒星是红矮星,其质量一般为太阳的10%~60%,发光度仅为后者的0.01%~3%。这些恒星表面的温度通常在2200~3400℃之间,散发出非常微弱的红色光线。尽管红矮星已经具有能够发光的热量,但是这些光线大部分都属于电磁波谱的红外区域。
更为极端的例子是在1988年发现的一颗褐矮星。这种气态星体的温度过低且体积太小,以至于内部无法发生核聚变反应以散发出光线。虽然褐矮星的表面温度不够高,无法发出可见光,但是在700℃的条件下,它们就能够释放出足够的热量作为红外辐射源。
我们继续关于矮星的话题(虽然这与红外光谱无关)。白矮星是由亨利·诺利斯·罗素、威廉明娜·弗莱明及爱德华·皮克林于1910年共同发现的,那时,他们只知道自己观测到了一颗闪耀着微弱白光的恒星。
“也许这颗恒星看起来光芒微弱,只是因为它距离地球比较遥远。”
不是的,科学家们已经知道白矮星与地球的距离,并且根据这一数据与地球的亮度计算出了这颗恒星应该具有的亮度(原理是亮度与距离的平方成反比)。而推算出的结果并没有多大实际意义,因为这颗白色恒星的温度极高,质量很大,其内部的核聚变产生了很大的能量。另一方面,虽然这种星体已经具备了以上特质,其发出的光芒还是十分微弱。
换言之,它们不可能是普通的白色恒星。
拉塞尔起初因不明白这些星体的性质而感到十分疑惑、苦恼,他在1939年曾经回忆起皮克林之前微笑着对他说:“这些问题都将扩充我们已有的认知体系。”这句话十分正确,因为人们后来发现这些小恒星以前与太阳一般大小,而现在它的燃料已经耗尽:这些恒星会经历外层膨胀的过程,内核是一个密度很大且炙热的圆球,即白矮星。
白矮星演化的下一个阶段是黑矮星,它们是白矮星冷却后的结果,已经无法再发出可见光。白矮星的热量散失过程很漫长,它们可以长久地保持亮度。据估计,已经被发现的存在时间最长的白矮星已经有110亿~120亿年的历史。而宇宙至今存在了137亿年,还是很年轻的,科学家们预计还不存在黑矮星。
红外辐射的作用并不仅限于帮助人们探测到那些无法被可见光探测到的星体。有许多恒星虽然光芒闪耀,但是由于它们被直径可达数百光年的巨大气体云遮挡了,对于我们来说依然是无法观测的。这些星云通常并不密集,实际上一片地球尺寸大小的星云其重量只有几千克。就是这样体积与质量不成比例的气体云遮挡住了一部分恒星的光线。
可见光无法穿过类似这样的星云,因为其中的气体粒子会吸收光线。不过,红外线可以很顺利地穿越星云到达地球。因此,利用红外技术观测天空中黑暗的区域,往往能发现许多用肉眼观察不到的星体运动。
分子云是一种密度极大的星云,其中不同元素的原子彼此相连,距离很近,以至于它们可以结合生成结构更加复杂的分子。在这些云层的内部,由于存在密集的气团,其产生的引力又吸引了周围其他的物质。在这个区域内聚集的气体越多,内核质量就越大,引力场随之增强,也就吸引了更多新质量加入,并在中心相互压缩,这样循环往复,其热量条件最终将达到核聚变反应的水平,从而释放出巨大的能量。这种能量可以将整个气团加热至炽烈程度,一颗恒星就此开始闪耀。
“那么,为什么可见光无法穿透的星云,红外线却可以呢?”
在本书中,我就不过多解释一些细节,简单来说,一些物质对特定波长的射线来说几乎不存在,而根据其化学成分和内部结构,对其他种类射线来说是有阻隔作用的。(https://www.xing528.com)
比如,可见光可以直接穿过玻璃,而对紫外线来说玻璃窗是有阻隔作用的,它无法穿过玻璃。
如果我们使用紫外线摄影技术拍摄天空,那么在照片中那些温度很高的星体就会十分明显,如比较年轻的恒星或生命即将完结的星体。不过,虽然在对星体进行紫外线摄影成像时,因炙热的恒星散发出的紫外线远远多于红外线而让这些恒星看起来亮度更高,但是同时也存在一些问题。
一方面,分布在宇宙中的气体云很容易遮挡住一部分紫外辐射,相当一部分恒星散发出的紫外线被完全遮挡住了。也就是说,如果我们使用紫外辐射技术对天空进行观测,在星系画面中就会出现大面积的暗斑。此外,地球大气层也吸收了大部分紫外线。因此,为了能够研究紫外光谱中的宇宙,就需要一台在大气层之外工作的望远镜。当然了,这样的望远镜价格十分昂贵。
紫外图像可以帮助我们观测到其他星系中是否有新形成的恒星,或探测到一些散发出更多辐射的物体。这些都可以传递给人们大量关于银河系结构的信息,比如新的恒星一般产生于螺旋状的星系中,因为那里会聚集更多相互作用的气体云。
但并非发出紫外辐射的都是宇宙中的星体,还有许多更加剧烈的能量会发出波长比紫外线更短的电磁辐射。
在上述现象发生的过程中,那些被加热的气体温度可达到百万摄氏度,所发出的辐射以X射线的形式散播。这时,地球的大气层再次作为一个障碍,吸收了X射线,使其无法到达地面照射到人类,所以我们根本无法对地球可怜的大气层生气。
出于这个原因,美国海军研究实验室在1949年使用耦合火箭探测器V-2首次在宇宙空间内观测到了大气层中的X射线,但火箭最终没有进入轨道,只在跨越大气层后的一段时间内做了一系列的测量。实际上,这项任务的目的是探究为何电离层(位于大气层上部)会反射无线电波,当时无线电波技术正全面运用于通讯领域。该项目发现了太阳散发出的X射线到达地球大气的电离层时会与之发生反应并被吸收。
不过您大可放心,太阳发出的射线并不会持续照射在人的身上,除了会被大气层吸收以外,其辐射中只有一小部分是X射线。
在太阳系以外发现的第一个X射线源是天蝎座X-1,因为是在天蝎座区域内首次被发现,故由此得名。这种射线于1962年被首次观测到,物理学家约瑟夫·什克洛夫斯基于1967年认定这个射线源为一颗中子星,即一颗垂死恒星的密度极大的残余物质。这一发现一举两得,还证明了1934年科学家沃尔特·巴德关于“存在中子星”的预言。
“等等,您是说某种恒星的存在也可以被预言么?”
我看似又要兜圈子了。
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