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第63章 恒星难道比宇宙的年龄还大

常识在宇宙学中有时行不通,但在宇宙年龄的问题上,下面这个常识却是千真万确、颠扑不破的:宇宙必定比最老的恒星还要老。遗憾的是,过去的观测结果始终同这个常识相矛盾。

几年前,天文学界对位于银河系边缘的红色恒星团进行观测,他们认为某些古老恒星高龄可能已达150亿年以上,而宇宙的年龄可能才刚140亿年或不到140亿年。这就奇怪了,难道子女的年龄比妈妈还大吗?甚至天文学家们开始怀疑宇宙学理论是否存在着致命的缺陷,是不是计标宇宙年龄所依据的宇宙膨胀速率的测算出了差错?

当然,也有天文学家对恒星的年龄提出了质疑。Hipparcos卫星实现了突破:它发现球状星团的距离比天文学家们原先所估计的要远。因此,球状星团中的恒星的内禀光度相应地也要增大,而其年龄则应当缩短。

天文学家研究了Hipparcos卫星的观测结果,并对恒星演化过程重新进行了计算,从而得出结论:最古老的恒星的年龄大约为130亿年。

银河系中球状星团是紧凑而密集的恒星区域,在一个直径大约100光年的球形区域内密布着10万颗到几百万颗恒星。许多最老的恒星位于名为“球状星团”的紧密聚集的恒星群内,某一星团内的所有恒星都是在基本上相同的时刻诞生的。

75%的恒星(包括太阳)位于一个扁平的圆盘内,球状星团却位于围绕此圆盘的一个球形“晕圈”中。其他巨大星系也有球状星团,且球状星团的分布方式都差不多。球状星团的位置是星团年龄的一个重要线索。20世纪30年代,德籍天文学家WalterBaade证明,银河系内的恒星可以分为两大类。明亮的蓝色恒星质量较大,属于年轻恒星之列,存在于银盘内。银盘内有大量的气体云,因此恒星形成的过程在银盘内频繁发生,这样银盘内就聚集了大量年轻的、十分活跃的恒星。银晕内的恒星多是比较暗弱的红色恒星。

银河系的晕圈没有多少气体,因此也没有几颗新恒星在晕圈中形成。银晕就像一座年轻人几乎跑光了的行将消亡的老城一样,只是老年恒星的聚集之地。

恒星在其一生中的大部分时间内都是由氢的聚变反应提供能量的。恒星内部深处的高热使4个氢核(每个氢核就是一个质子)聚合成一个氦核(两个质子与两个中子)。

当一颗恒星最终耗尽了其核心中的氢之后,它便开始利用其外围各层中的气体。此时恒星的体积膨胀,进入红巨星阶段,其特点是亮度更大,但表面温度则下降。恒星不再呈白热状态,而仅是红热状态。为了产生能量,它不得不越来越拼命地频频搜寻燃料,最终把它的气体储备全部消耗干净。

在某一球状星团内,所有刚刚消耗完其核心中的氢的恒星具有差不多相同的亮度与温度,也就是说有相同的质量与年龄。

用视差法能测定距离,也就是根据观测者移动其观测点时恒星表观位置变化来确定恒星的距离。有一种传统的方法可以演示视差现象:伸直你的手臂并竖起一根手指,然后交替闭上你的左眼和右眼观看手指前方所对的目标。此时你会发现你的手指似乎在背景上反复地左右跳动,这是因为你的两只眼睛轮流地从鼻子的两侧观看你的手指。让你的手指向脸部靠近一些,你将会注意到视差更显著了。物体的距离越近,其视差便越大。

为了测定恒星的视差,天文学家在一年的不同时间里观察恒星位置的变化情况。从地球轨道上的不同位置观察时,离地球较近的恒星似乎相对于遥远的恒星来回移动。天文学家测得恒星的视差后(其结果用一个角度表示),再根据地球轨道的直径(这一直径本身也是通过观测太阳系内天体的视差来确定的),就可以推算出恒星的距离。天文学家把三个月内其视差为1弧秒的恒星到地球的距离定义为1秒差距(相当于3.26光年)。根据基本的三角学法则,视差与恒星到地球的距离成反比。一般的地基望远镜可以分辨出大约0.01弧秒的视差,因此它们能够以10%的精度测量远到10秒差距的距离。

按照星系的尺度来衡量,10秒差距的距离小得简直令人发笑。而且,随着距离的增加,测量的误差也系统地增大:当距离达到望远镜分辨率的极限时,望远镜测得的视差值往往偏大,因而根据视差推算出的距离就往往偏小。为了使宇宙距离的测量值建立在更牢靠的基础上,1989年欧洲空间局(ESA)发射了Hipparcos卫星,将其送到任何地基望远镜也不曾到过的位置上进行为期4年的观测。这颗卫星观测的精度为0.001弧秒,可以测量距离远10倍的恒星。但即使这样远的距离也还是不足以观测最近的球状星团(估计最近的球状星团其距离也有2000秒差距之多);不过,Hipp—arcos卫星却精确测定了一些与球状星团中贫金属恒星相似的近邻贫金属恒星的距离。假定这些恒星与球状星团中颜色相同的恒星具有相同的内禀光度,天文学家们就能以前所未有的精确度推算出球状星团的距离。

推算的结果大为出人意料:球状星团的距离比以前估计的距离要远10%左右。这样它们的内禀光度的估计值也相应提高,而年龄则缩小了。重新计标的结果,球状星团的年龄大约为130亿年,球状星团中的恒星年龄也是130亿年,小于宇宙的年龄。

困扰天文学家的疑团终于解开了。但这就算彻底破译了宇宙和恒星的年龄了吗?谁能说这话呢?

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