恒星的演化

霍伊尔，利特尔顿

编者按

天文学家弗雷德·霍伊尔和雷蒙德·利特尔顿回顾了核物理理论的近期进展是如何从根本上改变天文学家对恒星演化的理解的。如乔治·伽莫夫近期所指出的，现在有可能证明核化学在恒星当时的密度和温度下是有重要作用的。伽莫夫认为恒星演化的大多数问题现在都已经解决了，但霍伊尔和利特尔顿对此并不认同。例如，伽莫夫认为所有红巨星一定是在新近才产生的，但这似乎是最不可能的事情。霍伊尔和利特尔顿是对的：那时的大多数物理学家只知道核化学方面的初级知识，但对核聚变这一驱动恒星活动和演化的关键过程却一无所知。ft　　英文

乔治·伽莫夫教授最近在《自然》[1]杂志上讨论了核物理理论的最新进展在恒星演化问题上所取得的结果。根据现有可用大量核反应得到的准确知识，人们有可能确定在恒星当时密度和温度下哪些过程具有重要的作用，并且在此基础上，人们得到了对亚原子能量释放率的可靠估计。这些实验研究得到的结果为计算恒星内部结构的数学理论提供了一个新的方程，由此可以采用直接的方法计算恒星的光度。我们利用所获得的信息尝试解决恒星演化的普遍问题中遇到的许多矛盾和差异。在上面所引用的那篇文章中，伽莫夫以十分清晰易懂的方式对近来的所有工作进行了权威性的总结。令人有些惊讶的是伽莫夫教授在他的文章中得出的结论给人这样的印象：这些新的进展从实际上解决了恒星演化的多种问题。而在我们看来情况远非如此，核物理理论在恒星演化中作为主要因素的论断还需要进一步讨论。ft　　英文

首先，我们应该注意到目前核物理理论的应用和它有可能解决的任何问题一样，会不可避免地导致一种同样令人为难的结果。因为该理论认为，在恒星内部氢仅能合成一些非常轻的元素，而不能合成其他的原子核。这意味着恒星不能再被当成是重元素产生的地方，如果这些重元素确实曾经产生过，那么它们必须在变成恒星的一部分之前就已经产生了。现在尽管这个结论自身在逻辑上并不矛盾，但是目前在我们看来它却造成了非常巨大的困难，所以更为合理的结论是：核物理理论的基础所需要的是修正而非重元素不是由合成产生的。另一方面，许多研究者似乎已经认同前一个结论是令人满意的，特别是伽莫夫，他已着手把它作为了红巨星理论的基础。ft　　英文

其次，伽莫夫教授显然认为各种类型的恒星有完全不同的年龄是很自然的事情。因此，由现有理论得出的某些大质量恒星的寿命仅仅是太阳寿命的10－3倍的结论完全没有被认为是一件困难的事情；事实上大家认为这就是事实且现有理论是毋庸置疑的。其实正如伽莫夫所提出的，所有红巨星形成于最近这样一个观点是现有理论里必不可少的一部分，这是因为需要锂等元素的存在，以使其可以在假定的内部低温中发出辐射。ft　　英文

现在，如果所有恒星都可以被看作是独立的天体，那么可能很难用直接的方法对这些观点的正确性提出质疑。但幸亏多次发现的双星系统使我们可以对该理论进行简单的检验，因为在此情况下，两颗成员星应该有同等的年龄。尽管伽莫夫理论中人为的假设避免了某些矛盾，但很显然，对于任何单纯只研究恒星内部性质的理论来说，著名的关于双星中成员星的单位质量相对辐射的困难仍然存在。例如，作为一个一般性结果人们可能会假设双星系统中质量较小的成员星在形成的时候氢含量系统性地和它们另外的成员星不同。在某些情况下，这可能会让初始条件变得更加可疑：所以，虽然天狼星在形成时氢含量可能很高，但我们不得不假设（考虑到简并态物质的理论已被更为广泛地接受了）其成员星几乎只由重元素组成，以使其在存在的整个期间耗尽主要的核燃料。即使对于伽莫夫提出的理论没有其他反对的理由，但是对于上述困难，这样的解决方案也是绝不可能令人满意的。ft　　英文

应该特别注意，上述理论假设了成员星不是通过分裂演化而来的，因为分裂演化（尽管在动力学上是合理的）会产生两颗组分相似的恒星。然而，我们已经能够证明，必须有5×1010年量级的时间[2]才能产生密近双星系统。于是分光双星中，若其中一颗成员星是红巨星或者任一颗高亮度的星，就必然同伽莫夫所提出的理论相矛盾。另外，似乎存在一个普遍趋势，即双星系统的质量随间距的减小而增加。ft　　英文

在恒星分裂的问题上，或许在这里指出最为合适，即尽管转动流体演化的数学研究结果清楚地证明了双星不可能由分裂产生[3]，但是许多天文学家似乎还并没有意识到这些数学结果在物理方面上的重要性。因此仍然还有很多人“相信”分裂理论。但是正如人们将要看到的，即使求助于分裂理论也不能挽救伽莫夫的红巨星理论，此外双星成员星的相对辐射问题将再次出现。就算单星分裂的某一阶段会产生双星系统，但可以肯定的是成员星之间仍应该有相似的化学组成，对于一个由一颗红巨星和一颗B型星组成的密近双星系统，伽莫夫的理论认为基于质光关系，红巨星的质量相对较小。但观测结果表明在这种双星系统中，红巨星的质量往往相对较大。例如在人马座υ、仙王座V V、御夫座ζ这三个双星系统中，情况均是如此。这样看来，似乎无论我们从什么角度来处理双星系统观测性质上的问题，这个已被天文学家意识到的矛盾总会以某种形式存在。ft　　英文

然而，除了前面对伽莫夫文章理论构建部分提出的异议外，很明显，还没有文献提到与恒星相关的广泛动力学特征。当然，这是只关注恒星内部物理性质的直接结果；但是，总的来说我们考虑的动力学性质是个很重要的问题，为此任何一个理论要令人信服都应该对此给出说明。于是，诸如单个恒星、双星以及聚星系统的形成，双星质量普遍随间距的减小而增加，以及观测到类似在恒星之间近似均分能量，类似这样的问题似乎是所有恒星演化理论的真正关键。一个恒星内部结构的理论不能解释本动速度和光谱类型之间的关系，也不能解释为什么观测到的大质量恒星都倾向位于银道面上，而这些特征必然和恒星早先的历史有关。ft　　英文

近年来，致力于恒星演化研究的科学家们都习惯性地只关注恒星内部组成而很少或者不关心其动力学特征。伽莫夫教授似乎也基本上遵循了这个传统，因此他的文章局限于引入现代核物理理论加以改进。因此，在处理变星性质的时候，他没有试图解释由周期为0.5天、4天和300天量级的恒星组成的三个不同的周期组。这些不同周期的变星也明确显示出了与光谱型相关的顺序，第一类主要是B和A型星，第二类是F型星和G型星，而第三类是M型星。此外，两个短周期的组还显示出一个最显著的特性：在已有的两百多个例子中，没有一个有密近的伴星。而在具有类似光谱型的一般双星中，每5对就有一个具有密近的伴星。另一方面，长周期的变星有正常的伴星。第一类和第三类中等亮度的恒星并没有显著的向银道面聚拢，而中等周期的变星，如造父变星，却都位于已知最明亮的恒星之中并且都高度聚集在银道面上。这清晰地表示，明显的动力学性质甚至与不同类型的光变有着紧密的联系，因此只考虑恒星的内部结构是不大可能诠释这些联系的本质的。ft　　英文

考虑到上述这些情况以及其他与各种类型恒星相联系的动力学性质，在我们看来伽莫夫教授高估了核物理理论在恒星演化问题中的重要性。事实上，我们认为核物理对天体物理学家所推测出的结果几乎没有什么补充，只能用其来验证这些推断，一个典型的例子是质光关系本身。最后，我们想指出，尽管本文主要是批评，但是我们已经在另外一篇文章中对所提出的许多问题[2]进行了讨论，并且我们发现从纯粹的动力学角度考虑可能足以为本文中提到的这些困难提供一个合理的解释。ft　　英文

（钱磊　翻译；何香涛　审稿）