《JS百科》第1121期，2025年1月5日 天上的星星是由什么组成的？恒星天体物理学基础奠定一百周年

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《JS百科》编者的话

（2024年9月1日）

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《JS百科》第1121期，2025年1月5日

天上的星星是由什么组成的？恒星天体物理学基础奠定一百周年

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What are stars made of? One hundred years since the foundation of stellar astrophysics

Humans have observed the stars for millennia, ever since our ancestors looked toward the sky. Throughout our history, the sparkling patterns of light upon the inky black sky have acted as compasses and calendars, told stories of gods and goddesses, and inspired poets and artists. But humanity’s relationship with the stars changed dramatically in 1925, when a young graduate student figured out what the twinkly lights were made of—and laid the foundation of stellar astrophysics.

This intuitive and brilliant astronomer was Cecilia Payne, and at 24 years old, she showed that stars were not like our Earth, but instead were glowing spheres of mostly fiery hydrogen and helium, the two lightest and simplest elements in the universe. “It is such a fundamental piece of understanding for humanity,” says Anna Frebel, an astrophysicist at the Massachusetts Institute of Technology. But like many hypotheses or discoveries that counter the leading theories of the time, Payne’s thesis was questioned and argued. The fact that she was a young female astronomer pushing against the status quo at a time when all academic experts in astronomy were men heightened tensions.

Today, Payne’s graduate thesis remains a staple on the bookshelves of stellar astrophysicists, its more than 200 pages yellowed from age and use. Today’s scientists see it as a masterpiece of astronomical writing, of putting the pieces together. “It was attention to detail,” says University of Wyoming stellar astrophysicist Meridith Joyce of Payne’s thesis. “It was accurate, and it was really brave.”

天上的星星是由什么组成的？恒星天体物理学基础奠定一百周年

自从我们的祖先仰望天空以来，人类已经观察星星(stars，本文中特指恒星，见译注1)数千年了。纵观人类历史，漆黑天空中闪烁的光线图案充当着指南针和日历，讲述着神和女神的故事，并激发了诗人和艺术家的灵感。但人类与星星的关系在1925年发生了巨大变化，当时一位年轻的研究生弄清楚了闪烁的光线是由什么组成的，并以此奠定了恒星天体物理学的基础。

这位直觉敏锐、才华横溢的天文学家叫塞西莉亚·佩恩(Cecilia Payne，见译注2)，24岁时，她证明了恒星与我们的地球不同，它们是主要由炽热的氢和氦组成的发光球体，这是宇宙中最轻和最简单的两种元素。“这是人类理解的一个基本部分，”麻省理工学院天体物理学家安娜·弗雷贝尔(Anna Frebel)说。但就像许多与当时主流理论相悖的假设或发现一样，佩恩的论文当时也受到了质疑和争论。她是一位年轻的女天文学家，在那个天文学领域所有学术专家都是男性的时代，她努力打破现状的事实，震撼了学界。

今天，佩恩的毕业论文仍然是恒星天体物理学家书架上的必备品，它超过 200 页的篇幅因年久和使用而泛黄。今天的科学家仍认为它是天文学学术论文的杰作，是将各别知识组合在一起的杰作。怀俄明大学的恒星天体物理学家梅里迪斯·乔伊斯(Meridith Joyce)在谈到佩恩的论文时说：“这是对细节的关注。”“它是准确的，而且真的很勇敢。”

(译注1：在人们的语境中，星星泛指夜间肉眼可见的宇宙中的天体。科学研究中，则根据它们的特点要细分为行星、恒星、卫星、彗星、白矮星、中子星、新星、超新星等等。恒星和行星都是质量大、体积大、圆形的，从地球上用肉眼看几乎是一样的，因此，很早前人们以为星星和地球是一样的组成。然而其实它们是完全不同的物体。下面主要针对本文内容，简单科普一下恒星与行星的区别。

天气晴好的晚上，可以看到夜幕中镶嵌着无数的光点，这其中除了少数行星，其它绝大多数都是恒星。太阳是离地球最近的恒星，夜晚能看到的恒星，几乎都处于银河系内。天文学家推测，可观测宇宙内恒星数量约为2000万亿亿（即2×10^23颗）。 而银河系统共约3000亿颗恒星中，人类只能观测到一小部分。人们看到的天上绝大多数星星，都绕着北极星，周而复始地逆时针旋转，并且相对位置保持不变，所以称“恒星”。但有些亮星似乎在各众星之间穿行，所以它们被称为“行星”。星星的亮度常用星等来表示。星星越亮，星等 越小。最亮的行星是金星。

恒星是什么？恒星是一个发光的、炽热的、巨大的主要由氢和氦组成的气体球。它由其自身巨大的引力（恒星巨大质量的结果）聚集在一起。引力还会在恒星核心引起核聚变过程，在此过程中恒星会产生光和热。核聚变的发生是因为恒星巨大的引力将氢压缩到两个氢原子变成一个氦原子的程度。这个过程会产生巨大的能量，使恒星变亮。离我们最近的恒星就是太阳。

行星是什么？行星是围绕恒星运行并能够清除轨道附近其他物体的天体。行星有足够大的质量使其形成球状，但它们质量又不足以在内部引起核聚变。它们可以由岩石组成（如地球和火星），或由气体组成（如木星和土星）。太阳系之外的行星被称为系外行星。

可见，恒星和行星的主要区别是产生光和热的能力的不同。恒星通过核心的核聚变产生自己的光和热，以光和电磁辐射的形式发射能量，这使得它们从很远的距离就可见。相反，行星不发光，而反射来自母星的光。这就是为什么我们不能像看到恒星那样看到系外行星：像太阳这样的恒星比太阳系外行星反射的光大约亮十亿倍。

除了产生光和热的能力外，恒星和行星之间还有以下几方面差异。

1. 起源： 恒星是由巨大的气体和尘埃云形成的，这些气体和尘埃在重力作用下坍塌并升温，在其核心引发核聚变。行星是由对恒星形成没有贡献的剩余物质形成的。

2. 组成： 大多数恒星主要由氢和氦组成。至于行星，根据它们的成分有两种类型：气态巨行星（也由氢和氦组成）和岩石行星（类地行星）。

3. 轨道： 恒星不围绕行星运行，但行星通常围绕恒星运行。但是，也有例外，例如流浪行星（自由浮动行星）。它们是不绕任何恒星公转的行星。甚至我们的太阳过去也有更多的行星。当几颗大行星“争夺”一颗恒星周围的位置并最终将它们的竞争对手踢出该行星系统时，就会出现流浪行星。

4. 寿命： 只要没有任何物体摧毁或捕获行星，行星就会稳定、长期地存在。恒星则有明确的生命周期。这个周期取决于恒星的大小：恒星越大，它的寿命就越短。例如，质量很大的恒星仅在几百万年后就会死亡，而类太阳恒星则可以存活大约100亿年。

5. 直径： 通常，恒星的直径比行星大。但是，也有例外，例如白矮星。它们是曾经像太阳一样的恒星，但后来死亡，脱落了外层，只留下了核心。那个核心只有地球那么大。如果这颗恒星在它死亡之前有比地球更大的行星围绕它运行，那么它们中的一些可能会存活下来，那就会有一颗比它的恒星更大的行星。

6. 质量： 恒星的质量总是比行星大。如果一颗气态行星获得与恒星一样多的质量，它很可能会变成恒星。至于岩石行星，目前还没有一颗质量接近恒星的已知岩石行星。

7. 气氛： 恒星的大气主要由热气体和等离子体组成。行星的大气成分和密度各不相同。例如，地球大气层中99%是氮气和氧气，而金星和火星大气层中二氧化碳和氮气的含量超过98%。

8. 适居性： 由于缺乏表面积以及从核心发出的强烈热量和辐射，恒星不适合居住。还有一些不适合居住的行星，它们具有极端温度、缺乏可呼吸的空气或有毒环境。有些行星，例如地球，可以支持生命存在。

9.温度： 恒星非常热，而行星的温度相对较低。但也有特例。例如，2017年，科学家发现了KELT-9b，一颗“表面”温度超过4000°C的行星，几乎和我们的太阳一样热。KELT-9b之所以这么热，是因为它的恒星很热，而且该行星离它很近。

10. 宇宙中的数量： 在宇宙中，行星比恒星更常见。行星总数超过恒星数量100到100,000陪。更令人惊讶的是，银河系中的流浪行星（不围绕任何恒星运行的行星）数量可能更多。

那末，行星可以变成恒星吗？目前理论上认为是可以的。一颗行星可以通过增加足够的质量使其压缩和加热，从而引起核聚变反应而成为恒星。但要让这颗假想的行星转变成恒星，它必须主要由氢组成。这是实现将氢转化为氦的核聚变过程所必需的。以主要由氢组成的木星为例。它的质量是1.898 × 10²⁷千克，而太阳的质量是1.989 × 10³⁰千克。因此，木星的质量大约比太阳的小1000倍。换句话说，要使木星成为一颗类似太阳的恒星，必须将1000个木星撞在一起。还有比太阳质量小的恒星：如果将大约7.5%的太阳氢质量放在一起，就会有一颗红矮星。为此，我们“只”需要让80个木星相互撞击。所以一颗行星变成一颗恒星是可能的，但这需要一系列大规模碰撞。当然，在浩瀚的太空中的某个地方，谁也不知道，也许这种碰撞正在发生呢。

译注2：塞西莉亚·佩恩-加波什金(Cecilia Payne-Gaposchkin,1900-1979)是世界上第一个意识到恒星和整个宇宙中氢含量丰富的人。她克服学术界女性面临的逆境，在物理学中开辟道路，成为天体物理学史上最重要的人物之一。

塞西莉亚·佩恩出生在英国温多弗镇，自幼对自然科学和音乐有兴趣。1919年获得奖学金进入剑桥大学的纽纳姆学院(Newnham College at the University of Cambridge)学习。佩恩最初学习植物学，但第一年她就转到了物理学，师从对原子物理学有巨大贡献的物理学家欧内斯特·卢瑟福和尼尔斯·玻尔。同年晚些时候，佩恩偶然参加了天文物理学家亚瑟·爱丁顿在三一学院的讲座，他在讲座上宣布了他在1919年日全食期间的探险结果。他拍摄了恒星位置的图像，由于太阳对恒星光的拉动，恒星位置似乎发生了变化，从而改变了光的路径。在那次讲座上，爱丁顿证实了阿尔伯特·爱因斯坦全新的广义相对论，佩恩也从此将兴趣投入在天体物理学。虽然她学习优秀并通过了大学课程，但她没有获颁学位证书，因为剑桥大学直到1948年才给女性颁发学位证书。

1923年，她前往美国，进入马萨诸塞州剑桥市的哈佛大学天文台和拉德克利夫学院，作为第一位女性天文学研究生开始攻读博士学位。天文台的天文照片馆长汤姆·伯恩斯说：“她让自己进入了女性在天文学领域取得成功的唯一地方。”的确，在佩恩加入天文台的那个时代，所有的天文学家和学生都是男性。虽然也有大约10到20名女性在天文台工作，但她们都只不过是“计算机”，这是天文台里对仅执行计算任务的实验室助理的外号；她们帮助探寻星光图案并记录可见恒星的变化。然而佩恩的角色与其他女性不同。

她的导师哈罗·沙普利(Harlow Shapley)最初曾鼓励佩恩继续莱维特(Henrietta Swan Leavitt)的工作，莱维特就是一位分析数据的“计算机”女助理，她曾发现某些恒星光线的变化可用于测量距离。但佩恩对此项目不感兴趣，她想专注于几十年来几乎未曾触及的恒星光谱。当时，哈佛大学拥有世界学术机构中保存最多的恒星特征的乳剂板。另一位“计算机”安妮·坎农 (Annie Cannon) 曾根据恒星光谱特征对恒星进行了分类。于是，佩恩在她们的基础上，将她在剑桥大学学到的原子内部运作与最近的物理和化学科学理论结合起来，以了解恒星，因为1925年之前，人类对恒星的组成知之甚少。

1925年她以论文《恒星大气层：对高温恒星反向层的观测研究》成为拉德克利夫学院（现为哈佛大学的一部分）授予的首位天文博士；天文学家们称该篇论文是“所有天文博士论文中最卓越的”。论文中她应用了印度物理学家梅格纳德·萨哈的电离理论，根据恒星的高温和高压，计算了星光光谱线的强度，正确找出恒星温度和恒星光谱的关系。她发现了恒星吸收线的巨大差异之处是因为不同温度下不同的电离量，而非元素含量。她首次正确地提出硅、碳和其他在太阳中可找到的金属元素与地球上有大约相同的相对含量；但是氦和氢（两种最轻的化学元素），特别是氢在恒星中则是压倒性的含量（约100万倍）。佩恩的研究不仅仅是为了了解恒星的元素丰度或温度，更为了了解恒星内部物理奠定了基础。佩恩的研究为人们提供了一个了解恒星光谱测量的起点，即利用星光寻找最古老的恒星。她的发现帮助未来的研究人员拼凑出恒星一生中表面下发生的事情，恒星中心产生的能量如何穿过外层，以及恒星如何在爆炸中死亡或逐渐消失在漆黑的背景中。人们对宇宙的其他了解都来自恒星，可以说恒星就是一切。

取得博士学位后，她研究高光度恒星以了解银河系的结构。之后她和丈夫谢尔盖·加波甚金一起对亮度高于视星等10等的恒星进行巡天。接着她和助手一起观测125万颗变星进行研究；不久这项工作延伸到了麦哲伦云，又增加了200万颗恒星。这些资料都用于了解恒星演化。她在她的第二本书《高亮度星体》(1930年）中发表了她的结论。

她在宇宙构成和变星性质方面的工作是现代天体物理学的基础。早在剑桥大学读书时，虽然未获学位，但她已被选为皇家天文学会会员，1934年，她成为美国天文学会享有盛誉的 Annie J. Cannon 奖的第一位获得者。她的成功也为无数女天文学家打开了大门。1943年，她成为美国艺术与科学院院士； 1956年，她被任命为哈佛大学第一位女教授和女系主任。1966年她从活跃的教学中退休，随后被任命为哈佛大学名誉教授，又作为史密森尼天体物理天文台的工作人员继续她的研究，并主编哈佛天文台出版的期刊和书籍长达十年，包括名为《恒星和星系的进化》的著名讲座。她一生著作等身，获奖无数；多个行星，天文望远镜，甚至行星上的火山以她的名字命名。她进入以男性为主的科学界的道路至今激励了许多人。