2.2 人类如何揭开恒星的演化之谜？

让我们再来好好看看天狼星A和天狼星B。图2.4展示了这两颗恒星的样子。

天狼星A是一颗块头较大的恒星，其质量是太阳的2倍，而绝对亮度是太阳的25倍。2.1节说到，天狼星A的视星等低于除太阳以外的所有恒星，因而堪称夜空中最亮的星。更重要的是，它与我们之前游览过的太阳以及半人马座α的3颗恒星一样，都是一颗主序星。

而天狼星B就大不相同了。从图2.4中可以看到，它的实际大小和绝对亮度都与天狼星A相差甚远，也远远小于包括太阳和比邻星在内的主序星。这是因为，天狼星B属于另一种类型的恒星：白矮星。事实上，天狼星B也是人类发现的第一颗白矮星。

那么主序星是什么？白矮星又是什么？借着科普这两个概念的机会，我来给你讲讲人类了解恒星演化规律的历史。

在1.2节，我们介绍了由一群默默无闻的女天文学家于20世纪初完成的哈佛恒星分类。她们基于恒星的表面温度，把恒星分成了O、B、A、F、G、K、M这七大类型。但没过几年就有人意识到，单靠一个哈佛恒星分类，还不足以讲清楚天上到底有哪些恒星。

第一个意识到这一点的人，是丹麦天文学家赫茨普龙（图2.5）。

赫茨普龙本来是一个化学家，不过迟迟没能做出有影响力的研究工作，所以在化学圈里过得不太如意。在1901年，也就是他28岁的时候，赫茨普龙转行到了天文学领域。也正是在那一年，坎农提出应该把恒星的表面温度作为恒星分类的标准。

哈佛计算员们所做的恒星分类工作引起了赫茨普龙的浓厚兴趣。5年之后，他有了一个非常有趣的发现：那些温度较低而颜色偏红的恒星（即哈佛恒星分类中的K型和M型恒星）其实有两种不同的类型，其中一类的绝对亮度比太阳大很多，而另一类的绝对亮度则比太阳小很多。为了加以区分，赫茨普龙就把那些特别亮的恒星称为“巨星”，而把那些特别暗的恒星称为“矮星”。

巨星和矮星的发现，揭示了哈佛恒星分类还存在着很大的局限性。又经过了5年的深入研究，赫茨普龙发明了一种对恒星进行分类的图赫罗图（图2.6）。这是一个二维的直角坐标系。它的横坐标是恒星表面温度，越往左温度越高，越往右温度越低，这恰好对应于哈佛恒星分类。而它的纵坐标是恒星绝对亮度，越往上亮度越大，越往下亮度越小，这恰好对应于巨星和矮星。

无独有偶。差不多在同一时期，还有一个人也想出了这样的图，此人就是美国天文学家亨利·罗素（图2.7）。

罗素是美国天文学史上的一个风云人物。在20世纪初，也就是美国学术水准还远远低于欧洲的年代，他就成为最早拥有国际声誉的美国天文学家之一。此外，他还一手创办了普林斯顿大学天文系，并担任了这个天文系的首任系主任。我们在11.1节会讲到，他在普林斯顿培养了一个叫哈罗·沙普利的得意门生；正是这位沙普利，最终敲响了哥白尼日心说的丧钟。

与赫茨普龙一样，罗素也主张用恒星表面温度和绝对亮度这两个指标来划分恒星的类型。后人为了纪念赫茨普龙和罗素，就把他们发明的这种对恒星进行分类的图称为赫罗图（图2.8）。

天文观测表明，包括太阳在内的天上绝大多数的恒星，都位于赫罗图中的一个从左上角一直延伸到右下角的带状区域里。也就是说，对绝大多数的恒星而言，表面温度越高，绝对亮度就越大；反过来，表面温度越低，绝对亮度就越小。这些位于赫罗图对角线带状区域里的恒星，就是我们前面所说的主序星。

除了主序星所处的对角线带状区域以外，还有两个恒星密集区域。其中一个在赫罗图的右上角，此处恒星的表面温度较低，主要发红光；但它们的绝对亮度很大，因而被称为红巨星。另一个在赫罗图的左下角，这里恒星的表面温度很高，主要发白光；但它们的绝对亮度很小，因而被称为白矮星。

有了赫罗图以后，人类才彻底搞清楚天上的恒星到底有哪些类型。

不过，赫罗图只能告诉我们天上的恒星可以分为主序星、红巨星、白矮星这几大类，却无法告诉我们这几类恒星的本质是什么。一直到20世纪20年代初，才有人揭开了其中的奥秘。这个破冰之人，就是英国著名天文学家亚瑟·爱丁顿。（图2.9）

我们在太阳系之旅中讲过爱丁顿的故事。他做过的最有名的事，就是率领两个英国科考队观测了1919年的日全食，进而验证了爱因斯坦的广义相对论。

但在此之前，爱丁顿差点被投入大牢。

1914年，第一次世界大战爆发。由于个人的宗教信仰，爱丁顿拒绝服兵役。等“一战”结束以后，英国当局打算秋后算账，把拒绝服兵役的人都关进监狱。

就在这危急时刻，有贵人出手相助了。英国皇家天文学家弗兰克·戴森跑去找英国当局，说1919年5月29日会发生一次日全食，而通过观测日全食，可以检验到底是牛顿万有引力定律正确还是广义相对论正确。 这个提议打动了英国当局。戴森又趁热打铁，说这个日全食的活动必须要由专家带队，而放眼整个英国，就属爱丁顿最懂广义相对论，不如让他戴罪立功，负责日全食观测。

爱丁顿就这样因祸得福，不但免除了牢狱之灾，而且还获得了自己梦寐以求的检验广义相对论的机会。

后来的事就是历史了。1919年底，科考归来的爱丁顿在英国天文学年会上宣布，他们所做的日全食观测证明了爱因斯坦的广义相对论确实优于牛顿万有引力理论。这让爱因斯坦一举登上了科学的神坛。

再讲一个关于爱丁顿的故事。爱丁顿后来当上了剑桥大学三一学院的院长。有一天，一个外校的教授来访，爱丁顿陪他在三一学院的餐厅里吃饭。闲聊的时候，那个外校教授恭维爱丁顿，说他是全世界最懂广义相对论的三个人之一。没想到爱丁顿沉默良久，然后反问这个访客：“我实在想不出来，你说到的第三个人是谁？”

用日全食检验广义相对论是爱丁顿在公众间知名度最高的工作，却并不是他学术生涯的顶点。在1920年，爱丁顿发表了一篇名为《恒星内部结构》的论文，从而揭开了恒星世界的神秘面纱。

这篇论文研究的核心问题是：恒星的能量是怎么来的？这个问题还有另外一种表述形式：恒星靠什么机制阻止自身的引力塌缩？

在20世纪以前，人类普遍相信恒星是一个燃烧的大煤球。燃烧过程中所释放的大量热量，产生了方向向外的辐射压（可以用热胀冷缩来理解），进而与恒星方向向内的引力达到了平衡。但这个理论有一个很致命的缺陷：如果恒星真的是一个大煤球，那么它只能烧区区几千万年。

在这篇划时代的论文中，爱丁顿提出了一个在当时看来堪称石破天惊的想法：恒星之所以能对抗自身的引力塌缩，靠的是其中心区域的核聚变；具体地说，就是把氢聚变成氦的核反应（即氢核聚变）。

氢核聚变的时候，4个氢原子核最终会聚变成一个氦原子核（图2.10）；在此过程中，大概会损失0.7%的质量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc²,这部分损失的质量可以完全转化成能量。爱丁顿认为，这就是天上绝大多数恒星的能量来源。换句话说，绝大多数恒星都是靠发生在其内部中心区域的氢核聚变来对抗自身的引力。

这些靠氢核聚变来对抗自身引力的恒星，就是所谓的主序星。为了便于理解，你可以把主序星当成是活着的恒星。

当然，一颗恒星中心区域的氢元素并非无穷无尽。早晚有一天，中心区域的氢元素会消耗殆尽。此时，恒星的中心区域就会点燃氦核聚变。氦核聚变会把恒星的外层物质抛向太空。在这个过程中，恒星的温度会降低，发出的光也会以红光为主；与此同时，恒星的体积急剧增大，从而让它的绝对亮度大增。这种状态下的恒星，就是所谓的红巨星。你可以把红巨星理解成是濒死的恒星。

把外层物质都抛掉以后，恒星会剩下一个很小的内核。这个内核的表面温度很高，发出的光会以白光为主；与此同时，它的体积变得很小，导致它的绝对亮度也变得很低。这种状态下的恒星，就是所谓的白矮星。你不妨把白矮星理解成是死掉的恒星。

因此，爱丁顿提出的是一个关于恒星演化的理论。他指出，活着的恒星（主序星）靠把其中心区域的氢聚变成氦为生。当中心区域的氢消耗殆尽的时候，恒星就会启动中心区域的氦核聚变并抛出外层的物质，从而变成一颗濒死恒星（红巨星）。而在抛出所有外层物质以后，恒星会剩下一个特别昏暗的小小内核，从而变成一颗死掉的恒星（白矮星）。

爱丁顿的恒星演化理论能很好地解释赫罗图上为什么会有3种主要的恒星类型，以及恒星为何能存在几十亿甚至几百亿年。在经历了几千年仰望星空的岁月，人类终于揭开了恒星世界的神秘面纱。

由于对恒星演化的开创性贡献，终其一生都没能拿到诺贝尔奖的爱丁顿，依然被后人视为20世纪最伟大的天文学家之一。

在此后大概10年的时间里，爱丁顿的恒星演化理论成为天文学界的圣经。当时人们普遍相信，爱丁顿的理论已经解决了所有的恒星问题。但2.3节我们会看到，另一个横空出世的天才，如何让爱丁顿看似和谐的恒星世界地动山摇。