物质的最后一道防线

生命总是和光明相伴,死亡常常与黑暗相连。宇宙诞生之初是光明的,那是一个夸克-胶子等离子体的时代,在短暂的几分钟内,夸克形成了原子。而重子物质与光子脱耦后形成了分子。随着宇宙的膨胀和冷却,物质的密度越来越低,变得不再发光。然而,引力却将物质聚拢成团,当物质密度和温度因为挤压高到一定程度的时候产生了恒星,并再次点亮了宇宙。恒星是第二代光子诞生的地方,也为恒星周围的行星带来了可以维持生命新陈代谢所需的能量。这样,光明就带来了生命。恒星的高能量光子被生命利用后产生了大量低能光子,这样,宇宙的熵或者无序度在这个过程中不断升高,也就是说,生命的维系是以宇宙的无序为代价的。

然而,物极必反,引力不仅可以产生光明,也可以毁灭光明。一颗恒星燃烧了大量的氢和氦之后,在生命的最后一刻以超新星的形式爆炸,并剩下了一颗极小的天体。对于太阳质量的恒星,恒星死亡后剩下的“遗骸”将通过所谓的“电子简并压”来对抗强大的引力进而维持其内部平衡。 电子简并压是由两个电子不能处在同一个量子态,即所谓“泡利不相容”原理,所产生的压力。当电子简并压也无法抵抗引力的时候,引力就会将电子挤压进质子内部,进而形成中子。于是整个天体都由中子构成,形成所谓的“中子星”,以中子兼并压来抗衡引力。一颗十公里半径的中子星质量大约是整个太阳的质量,足见其密度之高。更大质量的“遗骸”内部的引力甚至可以进一步挤压中子,使得中子被解构成夸克,形成所谓的“奇异夸克”所组成的“奇异星”或者“夸克星”。于是,整颗夸克星都可以视为一个中子。当物质密度进一步增加,夸克之间的强相互作用力也不足以抗衡引力,整个天体将进一步塌缩为黑洞,时空被黑洞强大的引力所撕裂,以至于光子也无法逃逸。所以,夸克星是物质抗衡引力的最后一道防线,如果这道防线崩溃,光明将重新被黑暗所取代。

中子星想象图

我在漫长的宇宙旅途中曾见过一颗中子星。它的表面极其光滑,旋转速度极快,自转周期只有1毫秒,赤道区域的速度可达到20%的光速。它就像一根磁铁,两个磁极所产生的磁场可达到1万亿高斯,相当于太阳磁场的10亿倍,如此超高强度的磁场加速带电粒子,在磁极处产生高度准直的射电辐射,这些射电辐射像探照灯一样扫描整个宇宙,也许在某一处被智慧生命所发现,这就是“脉冲星”这类称谓的由来。当一个系统里面有两颗中子星的时候,它们之间的绕转将扰动时空,产生时空涟漪,即所谓的“引力波”。引力波将带走双中子星轨道运动的能量,使得中子星的轨道周期慢慢变短,中子星脉冲的时间间隔也将随之变短。所以,通过精确测量中子星的脉冲时间就可以“看见”时空中极其微弱的涟漪。

中子星周围也许有行星,但是这样的行星将被极高能量的X射线所轰击,不太可能适合生命的繁衍。于是,引力在由弱变强的过程中,只在行星和恒星这样的天体系统中孕育了生命。光明、生命以及生命所需的能量和信息交换也只有在这样一种适中的引力环境中才能实现。宇宙就这样在引力和物质的平衡中形成了丰富的结构,多样的环境和复杂的生命。

一个星球的诞生

当宇宙诞生后大约十亿年的时候,星系中第一代恒星慢慢死亡,通过超新星爆炸的方式为宇宙带来了大量的重元素,也就是比氢、氦、锂等宇宙早期形成的元素更重的元素。这些元素中包含了构成生命最重要的元素,比如氧和碳等。作为宇宙第一代光子,我在漫长的宇宙旅程中时常看见五彩斑斓的超新星遗迹,这些遗迹是由超新星爆发产生的冲击波和星际物质相互作用所产生的。这些冲击波会电离星际分子,进而产生比如OIII和Halpha等发射线。这就使得这些遗迹的色彩非常鲜艳明亮。所以超新星爆炸不仅是转瞬即逝的烟花,而且这烟花的壮丽会持续百万年的时间。

蟹状星云

超新星爆炸产生的重元素被散播到星际空间中的分子团块中,一些富含重元素的分子云的密度达到了所谓的“金斯不稳定性”的极限,进而在引力作用下塌缩为一个个恒星。这第二代的恒星与第一代恒星不同的是,它们富含重元素,而且它们的吸积盘中由于重元素的存在,将产生大量的尘埃,这些尘埃在百万年的时间里面像滚雪球的方式从微米尺度的尘埃颗粒变为毫米尺度,进而成为鹅卵石大小的尺度,最后进一步形成公里尺度的种子行星。这些种子行星的引力使得它可以不断吸附大量的“鹅卵石”大小物体进而快速增长为地球大小的原始行星。这些原始行星的内部可达上千摄氏度,压强可以将水直接挤压到石头里面去,成为水晶。由于行星内部不同深度有不同温度和压强,不同的元素和矿物将在不同深度富集,进而使得行星有壳层结构。像地球一样的行星,其内部是液态铁核。由于铁可以导电,液态铁核在不断旋转中可以产生电场和磁场。行星的磁场可以屏蔽恒星抛射出来的高能粒子,进而保护大气不至于过度电离而被蒸发。

早期形成行星的物质中有一些是含有水分的(以水晶矿物的形式存在),这些水分会通过地壳运动比如火山爆发等形式输送到行星表面,使得行星表面可能拥有液态水。但是由于这些行星通常离恒星较近,在它附近的水分大多已经蒸发,它所吸积的物质所含水分有限,所以这些水不足以形成可以覆盖行星的海洋。在行星形成的过程中,有一些区域的温度适合水凝结为冰,有一些区域太热以至于水分被蒸发为水气,并被电离和吹散。而“冰线”就是划分恒星周围温暖和寒冷区域的这样环形分界线。另外还有一条所谓的“宜居带”,则是适合液态水存在的一条环状区域。在一个行星系统中,如果有一些巨行星,比如木星质量的行星,在冰线以外,那么这些巨行星将可以扰动富含水分的彗星,通过撞击宜居带里面的行星,为这些行星带来大量水分,并形成海洋,可以覆盖大量的陆地。

恒星周围的宜居带

这样一个在类似太阳的恒星周围的宜居带内类似地球大小的拥有磁场和海洋的星球就这样诞生了。这样的类地行星是否可以产生生命呢?是不是每一颗这样的星球都适合生命的繁衍呢?是否需要月亮一样的卫星来稳定类地行星的自转呢?是否需要木星一样的兄弟行星来为类地行星输送水分呢?这些问题,我还弄不清楚。但我知道在我旅程的尽头将有一颗蓝色星球——地球,它是地球生命和人类的家园。在地球46亿年的历史中,生命出现在地球刚诞生后6亿年左右。如果把地球历史视为一天24小时的话,那么生命就是在凌晨3点左右出现的,而人类在最后一秒才出现。另外,在地球几百万个物种中,只有一个物种拥有了“灵魂”,这是否说明智能生命的稀有呢?所以,在我138亿年的旅程中,我也许将会发现许多的拥有生命的星球,但是也许只有非常少的星球拥有可以进行星际通讯的文明。

无论如何,宇宙的浩大壮丽让我敬畏,同样,生命之复杂和精妙同样令人赞叹。如果说宇宙的美丽和秩序只是出于偶然,那么我的旅行就失去了方向和意义;然而,如果宇宙的秩序和美丽是为了达成造物主的某种目的,那么我的通往蓝色星球的旅程也将因这宏大的宇宙叙事而充满意义。所以,我更愿意相信,宇宙中所有的事情并非完全偶然,偶然中蕴含着必然。

至尊戒引众戒,禁锢众戒黑暗中

当我被第一代恒星耀眼的光芒环绕的时候,突然看到一颗巨大的恒星爆炸,它所产生的巨大冲击波吹散了我周围所有的物质,并产生了超高能量的伽马射线和X射线,这是我第一次在宇宙中看到如此壮观的场面,也是在宇宙诞生以来第一次遇见如此高能的光子。这颗恒星爆炸后剩下了一个很小很小的黑暗区域,谁也不知道里面是什么。我仔细查看这个黑洞,发现在其周围有一个光圈,另外一些闯入黑洞内部的光子则被囚禁乃至被黑洞吞噬。此情此景让我惊叹不已。在我眼里如此耀眼的一颗巨星居然陨落为至极的黑暗,从光明的给予者沦为黑暗的掠夺者。然而,并非所有恒星都有此结局,下面就让我来讲讲不同恒星的结局吧。

宇宙第一代恒星的光辉是短暂的,因为它们核心区域的温度和密度极高,使得核聚变快速消耗掉大量的轻元素,最终核聚变所产生的辐射压无法抵抗恒星的引力压,导致恒星开始塌缩。塌缩过程中引力能转化为热能,强大的热压使得恒星膨胀为红巨星。对于一个太阳大小或者更小的恒星,它们的内核将消耗轻元素产生重元素,而当碳和氧在核心区大量产生的时候,核心区的温度不足以将这些稳定的元素聚变为其他更重的元素,于是核心区不能在引力作用下进一步塌缩。这样,这些恒星的外壳被剥离后剩下的内核所形成的天体就是所谓的“白矮星”,大概只有恒星原始质量的20%左右。这些白矮星不是通过核聚变所产生的辐射压乃是通过电子简并压抗衡引力,它们由于没有核聚变产生的辐射将慢慢变暗,直到不能被肉眼看见。电子简并压是基于量子力学的不确定性原理,即粒子的位置和动量不能同时被精确测量而产生的一种抗衡引力的斥力。当白矮星在引力作用下被挤压的时候,电子位置越来越确定,这样电子动量将越来越不确定,其对应的“海森堡”速度将贡献压力来抗衡引力,阻止白矮星的进一步塌缩。

银河系中心的X射线和红外图像以及由视界望远镜(EHT)用射电望远镜阵列拍摄的黑洞视界图像(右上)

更大质量的恒星的引力塌缩将导致更重元素的形成。当恒星核心区聚变形成了大量铁的时候,由于铁是最稳定的元素,无法聚变成为其他元素,铁核的温度将达到几千亿度。此时巨大的压力和温度将使得电子被挤压与质子结合为中子,这个过程所释放的巨大能量形成的冲击波将恒星外围物质迅速推开,形成了所谓的“超新星”爆发。冲击波对恒星外围物质的加速和加热到极高的温度,可以聚变产生大量的重元素和放射性元素,成为行星形成乃至生命繁衍的原料。对于中等质量的恒星,核心区的基于海森堡不确定性原理的中子简并压可以与引力抗衡,而形成中子星。而对于更大质量的恒星,中子简并压也不足与引力抗衡,进而塌缩为一个奇点。由于量子力学和广义相对论在此不再适用,谁也不知道奇点处发生了什么。但是人们可以确定的一点是奇点极高的引力场导致了其附近的光子也不能逃脱,这个光子不能逃逸的区域称为“视界”,这个视界以内的区域是完全黑暗的,没有任何光子可以逃逸,所以我们称这种天体为“黑洞”。

黑洞视界周围的光子圈

如果你仔细观察,你会发现黑洞视界周围有一圈发亮的光环,这些光环是在黑洞视界外围逃逸出来的来自黑洞吸积盘的光子所构成,正像一枚金色的燃烧着火焰的戒指。在星系中心的黑洞慢慢吸积更多的物质,成为大质量黑洞,它的视界直径可以达到几个光年。当星系与星系并合的时候,这些星系中心的黑洞也会并合,成为更大质量的超级黑洞。然而,黑洞并不会永存,因为根据量子力学能量和时间的不确定性原理,能量在短时间内并不守恒,会产生由正粒子和反粒子组成的虚粒子对。在黑洞视界周围的量子涨落产生的虚粒子对,如果有一个被黑洞俘获,另一个逃逸到黑洞之外,那个逃逸的粒子由于可被观测到而成为了实粒子拥有了正能量,那个被黑洞俘获的虚粒子因此有了负能量,使得黑洞能量减少。所以,最终不可一世的超级黑洞也会因为霍金辐射而蒸发消失。

《指环王》第一部封面

任何恒星都会经历死亡,然而有的恒星却堕入到彻底的黑暗。如同至尊魔戒的超级黑洞通过吞噬恒星来壮大自己,乃至统管周围小星系的中心黑洞,形成宇宙中巨大的黑暗力量。然而,这一切都将被霍金辐射所终结。正如宇宙诞生130多亿年后的一位人类作家所言:

“最后可怕的阴影,终究会消失。就连黑暗也会消失。崭新的一天将会来临。太阳也会散发更明亮的光芒。”——《指环王》

黑暗过后是光明

我们光子虽然诞生于全然光明的世界,但是当我们一旦离开了那个世界开始自由旅行于宇宙中的时候,我们发现周围的世界一片漆黑。我们光子的能量随着宇宙的膨胀逐渐衰减,使得我们的颜色暗淡到无法用肉眼识别。所以,虽然宇宙中充满了第一代光子,但是那时的宇宙却是一片黑暗。在黑暗中的旅行是孤独的,是乏味的,是没有方向的,我渴望回到我们光子诞生之初的那光明世界当中。

在黑暗中,有一种看不见的物质正在聚集成团,这种物质与重子物质以及光子通常不产生相互作用,它们与重子物质和我们光子好像存在于平行的世界里,我们与这些所谓的“暗物质”通常只通过引力相互影响。虽然我们光子在诞生初期和物质各占整个宇宙能量的一半,但是随着宇宙的膨胀,我们光子的能量越来越低,而物质的总能量却不怎么改变。由于暗物质在所有物质中约占85%的比例,所以暗物质逐渐成为主宰宇宙进程的决定性力量。宇宙中的暗物质分布并不是完全均匀的,宇宙中暗物质密度较高的区域通过引力逐渐形成暗物质晕,这些暗物质晕通过引力拖曳着重子物质形成团块。

在宇宙大概四亿岁的时候,这些重子物质团块慢慢长大到大概有一百万个太阳的质量。重子物质在引力作用下塌缩为球形,当球核的温度增高到一亿开尔文(或者一亿摄氏度)的时候,质子和质子碰撞形成了氘或者重氢,并产生了高能光子和中微子。这些氘核与质子和中子的进一步碰撞产生了稳定的氦核。这个所谓的“氢聚变”过程释放了大量的高能光子,产生了第一个会发光的球,这就是所谓的“恒星”,它再一次点亮了宇宙。

宇宙再电离示意图(credit: NASA)

随着宇宙中第一缕光的出现,越来越多的暗物质团块携带着重子物质塌缩形成了第一代恒星。这些恒星的高能光子将我们第一代光子诞生时所形成的氢分子再一次电离成质子和电子,于是宇宙开始变得透明,恒星所产生的可见光得以穿透黑暗。这时的宇宙虽然不像我们光子诞生时的宇宙那么光明,但是它慢慢变得有趣。恒星内部核聚变产生了比氢和氦更重的新的稳定元素。当第一代恒星内部的氢被消耗到一定程度的时候,恒星开始变得不稳定并膨胀,大约在几百万年后通过超新星爆炸的形式将新的元素抛射到周围的星际空间。这些新的元素和宇宙诞生时形成的轻元素如氢和氦将再一次塌缩形成质量更小也更加稳定的第二代恒星。

恒星不仅越来越稳定,而且它们在引力作用下慢慢聚集形成更大的结构。就是所谓的“星团”、“星系”以及“星系团”。通常,更大的重子物质团块的塌缩可以形成许多恒星,这些恒星形成的小星系和其他星系并合形成更大规模的星系,并与其他星系一起形成星系团。所以,暗物质和引力这两种看不见但又无处不在的存在为宇宙再次带来了光明,并开启了一个复杂、有序和精彩的新时代。

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