看过恒星的一生，你才能认识宇宙真正的美-创新-知识分子

看过恒星的一生，你才能认识宇宙真正的美

2021/03/04

导读

NASA钱德拉X射线天文台为回顾和纪录20年来的探索成果，其官方作品《NASA深空探索：钱德拉X射线天文台20年全记录》正式出版发行。它是由NASA钱德拉X射线天文台的5位科学专家撰写，是面向大众的科普作品，它用鲜活的图片，以及直观简洁的文字解释，从微观到宏观，分别展示了恒星的诞生和死亡、宏伟的星系王国、“宇宙巨人”星系团，以及意料之外的探索结果——捕获时间边缘的黑洞，搜寻太阳系外的行星新世界，透视控制宇宙加速膨胀的神秘暗能量。

人类的成功靠的是永不止歇的探索精神和无尽的想象。彻底解放我们想象力的无过于头顶上的繁星点点。不过无论如何努力想象，我们都难以领略那片真正的天空是多么地错综复杂和浩瀚无垠。

自从伽利略在400年前首次将望远镜瞄向深邃的太空以来，人类的不懈探索正一步步揭开宇宙的神秘面纱。我们知道，地球上再壮观的烟火表演跟超新星爆发相比，都会黯然失色；宇宙中充满着不可思议的物质，一颗方糖大小的中子星就有数亿吨重；还有难以捉摸的黑洞、引力波等。

不过这些重要的天体活动基本都是高能事件，一般的光学望远镜是无法探测到其内部，要揭开它们的本质面纱就得需要X射线天文台的帮助。NASA（美国国家航空航天局）钱德拉X射线天文台，跟哈勃空间望远镜一样，是NASA在20世纪90年代开始发展的四大空间天文台计划之一，在人类的深空探索方面发挥了重要作用。

恒星是宇宙中所有物质演化的基础，是缔造生命元素的壮丽熔炉，更是认识宇宙的起源、演化和命运的重要基础，下面就让我们跟随钱德拉的“X射线之眼”，一窥恒星的演化奥秘！

恒星诞生

地球沐浴在无数恒星的光芒之中。有的恒星离我们近，有的离我们远。我们的银河系有超过2000亿颗恒星。这些恒星是巨大、稠密、寒冷的气体云在自身引力作用下坍缩形成的。正是通过这种方式，在宇宙最深处，初生恒星的光芒开始闪耀。

钱德拉X射线天文台就像一个时间机器，用它最灵敏的X射线“眼睛”注视着这些初生恒星。年轻的恒星在诞生后的几亿年里快速旋转，形成强烈的磁场，从而产生明亮的X射线辐射。钱德拉具有独特而创新的镜面以及灵敏的探测器，会对准这些高能光子、粒子和X射线波。

恒星不是孤立形成的，成千上万颗恒星聚集在一起形成星团。星团中的所有恒星几乎是在同一时间诞生的，诞生时离星团中心的距离也大致相同，因此星团为检验恒星演化如何取决于其质量的理论提供了一个理想的实验室。由于大多数星团最终会散去，我们所见到的星团都是相对年轻的，这些星团里面的恒星才诞生几亿年之久。正常的中年恒星，比如离我们最近的太阳，具有炽热的、能辐射X射线的外层大气。

X射线观测已被证明是一种有用的工具，用于研究恒星表面附近的湍流加热如何依赖恒星的年龄、旋转和恒星类型，以及恒星的耀斑活动如何随着恒星的演化而变化。这样的研究也可能为我们提供一些关于未来太阳活动的线索。

钱德拉也有助于了解年轻恒星的X射线如何影响其行星形成，以及更成熟的恒星如何影响其行星。钱德拉的研究还揭示了巨行星可能会反过来影响它们的中心恒星。

接下来的页面展示了钱德拉的一些经典天文图像——年轻恒星被包裹在寒冷的恒星尘埃摇篮里。许多图像是与哈勃空间望远镜观测合成的多波段图像，展示了恒星摇篮壮丽绚烂的结构。这些图像覆盖了广阔的天区，且所有图像显示的都是我们银河系内的天区。

战争与和平星云

战争与和平星云是我们银河系中的一个恒星形成区，它至少有3个年轻的星团，包括许多炽热的、发光的大质量恒星。来自钱德拉和德国伦琴X射线天文台（ROSAT）的X射线发现了数百颗年轻的恒星，探测到了热气体辐射出的X射线。大质量恒星表面的辐射和被吹走的物质，加上超新星爆发，产生了泡泡或空洞。X射线数据与光学和红外数据相结合，完成了这幅宇宙图景。

尺度和距离：图像覆盖约70光年的天区；距离地球约5500光年
波长/颜色：X射线波段：紫色；光学波段：蓝色；红外波段：橙色

鹰状星云

鹰状星云（M16）是一个恒星形成区，通常被称为创生之柱（Pillars of Creation）。钱德拉对X射线源具有灵敏的分辨率，因此可以发现和识别数百颗非常年轻的恒星以及那些正在形成中的恒星，也就是原恒星。钱德拉和哈勃的观测数据相结合，生成了这幅恒星诞生的壮观图像。

尺度和距离：图像覆盖约5.13光年的天区，距离地球约5700光年
波长/颜色：X射线波段（较大的光点）：红色，绿色，蓝色；光学波段（漫射和较小的光点）：红色，绿色，蓝色

恒星死亡

正如钱德拉见证了恒星的诞生，它也见证了恒星的死亡。当一颗恒星缺乏足够的燃料时，它中心的核聚变便会停止，于是开始将外层大气抛入太空。大质量恒星会以超新星爆发的形式结束生命，死亡仪式蔚为壮观。伴随着这种既安静又猛烈的方式，恒星的死亡过程进入新的阶段：炽热的气体云迅速膨胀，辐射出明亮的X射线。

每隔50年左右，我们银河系中就有一颗大质量恒星死亡，产生超新星爆发。超新星爆发是宇宙中最剧烈的事件之一，爆发的威力会产生炫目的辐射闪光，冲击波在太空中隆隆作响。

恒星的死亡不只有暴力的一面，还有更有意义的一面。超新星爆发也是向银河系播撒碳、氮、氧、硅和铁等元素的主要方式，这些元素正是我们已知的生命所必需的。通过超新星爆发，地球上便有了生命所必需的大部分元素，否则这些元素就会被锁定在恒星的熔炉核心里。我们这些生命体的存在完全归功于这些宇宙事件：实际上我们都是星尘的一部分。

像钱德拉这样的X射线望远镜对研究超新星遗迹及其产生的元素非常重要，因为超新星爆发会产生极高的温度（数百万摄氏度），甚至在爆发后数千年依然如是。这意味着许多超新星遗迹会一直辐射出最强的X射线，而难以被其他类型的望远镜探测到。

借助钱德拉，我们对恒星如何庄严地结束它们的生命产生了革命性的理解，这是钱德拉最伟大的科学遗产之一。接下来的图像展示了死亡的恒星，其中一些是几个世纪甚至几千年以来人类所目击到的。这些天体横跨银河系甚至更加遥远，通过把古代天文学家收集到的信息与现代科学有机结合，我们可以对它们的生死轮回有所了解。

猫眼星云

猫眼星云（NGC 6543）是行星状星云，代表了我们的太阳在几十亿年后将经历的一个阶段。在这一阶段，太阳将膨胀为一颗红巨星，然后剥离大部分外层，留下一个炽热的核心，核心会坍缩成一颗致密的白矮星。濒死恒星的粒子风与喷射出的大气碰撞产生冲击波，钱德拉在“猫眼”（哈勃的光学数据显示）中探测到的X射线辐射就是由此形成的。

尺度和距离：图像覆盖约1.7光年的天区，距离地球约3000光年
波长/颜色：X射线波段：紫色；光学波段：橙色，蓝色

眨眼星云

眨眼星云 ( NGC 6826）是一个行星状星云，在光学和X射线的光线下，它有点像一只眼睛。在其一生的大部分时间中，周围的气体都属于中心恒星，这些气体很有可能占其近一半的质量。这颗炽热恒星的残骸（位于粉色椭圆中心）推动一股疾风吹向更老的物质，形成一个加热的气泡，将较老的气体推到前面形成一个明亮的边缘。这颗注定死亡的恒星是附近所有行星状星云中最亮的恒星之一。

尺度和距离：图像覆盖约0.77光年的天区，距离地球约4200光年
波长/颜色：X射线波段：紫色；光学波段：红色，绿色，蓝色

仙后座 A（Cassiopeia A）

仙后座 A（Cassiopeia A）是钱德拉发射升空后观察到的第一批天体之一，它是一个壮观的超新星遗迹，它告诉了我们地球上生命所需的大部分元素从何而来？这张由钱德拉X射线天文台拍摄的图像向我们展示了答案。大质量恒星会以超新星爆发的形式结束生命，并以此向银河系播撒已知生命所必需的碳、氮、氧、硅和铁等元素，否则这些元素就会被锁定在恒星的核心内。实际上我们都是星辰的一部分。

超新星爆发后通常会留下一种密度极高的天体，叫作中子星（neutron star）。在某些情况下，两颗大质量恒星爆炸后，即便形成了中子星，依然能形成引力约束系统。如果两颗中子星靠得很近，它们的轨道就会缩小，直到合并，产生引力波，也就是时空涟漪。

2017年，钱德拉就探测到这样一个天文事件的余晖，这也是我们第一次记录下这种天文事件。

2017年8月17日，激光干涉引力波观测台（LIGO）探测到一起引力波事件 GW170817，此后的数天、数周和数月内，天文学家一直利用钱德拉的数据研究它。插图显示的是2017年夏末到年底的X射线变化。钱德拉的X 射线对于理解两颗中子星碰撞时会发生什么至关重要。在引力波事件GW170817的例子中，一些科学家认为这一事件可能产生了目前已知的质量最小的黑洞。