《千亿个太阳》 高爽解读
《千亿个太阳》| 高爽解读
关于作者
鲁道夫·基彭哈恩，德国天文学家和科普作家，哥廷根大学天文学教授。后来担任过马克斯·普朗克学会天体物理研究所的所长。
关于本书
这本《千亿个太阳》，是根据作者多年来讲座的内容整理而成的。这是一本老书，最早出版于1980年，直到今天，仍然是关于恒星的经典科普读物。
核心内容
第一，恒星有着怎样的特点？第二，恒星是怎么诞生的？又是怎样走完自己的一生的？第三，天文学关于恒星的研究，能给我们带来怎样的启发？
你好，欢迎每天听本书，我是高爽，德国海德堡大学天文学博士，曾经在国家天文台和北京师范大学从事天文学研究和教学工作。我在得到App开设了《天文学通识》课程，为你系统性地讲述天文学的思维方式。
我今天为你解读的，是一本有关恒星的科普书，叫《千亿个太阳》。这本书同时也作为《天文学通识》课程的参考书目，为你扩展恒星这一单元的知识。
乍一听这个书名，你肯定会觉得奇怪，我们知道的只有这么一个太阳，哪里来的千亿个？就算在神话故事里，后羿当时射太阳的时候，也才有九个。真有千亿个太阳，那还不成了灾难级的恐怖现象了？
其实，从天文学的视角来看，千亿个“太阳”，确实存在。要知道，太阳并不是独一无二的。在银河系里，还有上千亿颗像太阳这样的天体，它们有一个共同的名字：“恒星”。
如果你把太阳看做是一颗恒星的话，那它就再普通不过了。作为千亿个恒星中的一员，它有着适中的尺寸和温度，年富力强，发光稳定，正处在恒星生命周期的中间阶段。如果不是因为太阳离我们很近，我们绝不会对太阳有额外的关注。你看，从这个角度来看，说太阳有千亿个，一点都不为过。这本书之所以叫做“千亿个太阳”，就是站在一个更大尺度上，给我们介绍了宇宙中恒星的性质和特点。
那么作为普通人，我们为什么要了解恒星呢？我们在夜空中见到的，天上发光的星星点点，大部分都是恒星。历史上人们关于夜空的记忆，绝大部分也都来自于恒星。但这还不是需要了解恒星的最重要的原因。更重要的是，了解一些关于恒星的知识，能给你带来一种看待世界乃至宇宙的独特视角。恒星太复杂了，要描述一颗恒星需要几十个基本参数，银河系里的千亿颗恒星彼此之间都存在细微的差异，这么庞大的数据量该怎么掌握呢？这背后的科学思维方式，我在后边会为你详细讲述。
本书作者鲁道夫·基彭哈恩是德国天文学家和科普作家，哥廷根大学天文学教授，后来担任过马克斯·普朗克学会天体物理研究所的所长。今天为你解读的这本《千亿个太阳》，是根据作者多年来讲座的内容，整理而成的。我还要提醒你的是，这是一本老书，最早出版于1980年。虽然距离现在已经过去了很长时间，但我觉得这仍然是关于恒星的最佳科普读物。
接下来我将分成三部分，为你解读这本书。
第一部分，我们说说，恒星具体有着怎样的特点？第二部分说的是，恒星是怎么诞生的？又是怎样走完自己的一生的？第三部分，我们再来具体说说，天文学关于恒星的研究，能给我们带来怎样的启发？
首先来说第一部分。恒星有着怎样的特点？
在回答这个问题之前，我们有必要先来说说，要想研究恒星这类天体，该从哪里入手呢？实话说，其实天文学家们也没有什么特别的方法，只能靠观测太阳，因为太阳，是我们在地球上唯一一个可以清晰观测到的恒星。幸运的是，拿太阳作为了解恒星的入口，非常合适。目前的太阳，正处在恒星生命周期的中间阶段，年富力强，发光稳定。就像一个身体健康的成年人，它代表着恒星发展的最佳状态。
接下来，我就来具体说说，从太阳身上，天文学家们都发现了怎样的特点。
恒星的第一个特点，也是最明显的特点，是它们可以辐射出巨大的能量。
就拿太阳来说吧，我们都知道，地球一直在接受太阳发出的辐射，这些辐射中包含光和热。
就拿太阳对地球的影响来说，地球正对着太阳这一面，也就是处在白天的那半个世界，是在接收辐射，而背对着太阳那一面，处于夜晚的半个世界，会把白天接收到的辐射再释放出去。这就意味着，地球接收到的能量和释放出去的能量几乎是相等的，而且随着地球的自转而交替切换。所以，地球本身的温度会有一个稳定的状态。
但严格来说，地球接收到的能量，还是要比释放出去的能量多那么一点点。这一点点能量，有一部分存储在了植物中，为地球上的生命活动提供必需的能量。比如，我们人类会直接吃掉这些植物，我们还会吃掉以这些植物为食的动物。不但如此，我们平时用的煤炭和石油，也来源于地球早期接收的太阳能量。还有像是水力发电、风能、潮汐能等等，这些能量也都来自太阳。整个地球表面每小时接收到太阳的能量，相当于200万亿度电，也就是1000个三峡大坝一年的发电量。
你是不是觉得，这些能量已经够大了。但请注意，刚刚我们提到的这些能量，和太阳辐射出来的全部能量相比，是微不足道的。如果还是用电能来计算太阳一个小时释放出的能量，需要写下一个24位数的数字，这些能量够全世界用4000年。你想，我们在夜空中看到的星星大部分都是恒星。它们中离我们最近的一颗，距离也超过了4.2光年。相当于地球到太阳距离的26万倍。这么远的距离，我们依然仅凭肉眼就可以清晰地看到它的光芒，可想而知，恒星爆发出的能量该有多大。
但是，输出巨大能量，还不是恒星最重要的特点。超新星的爆炸也会释放巨大能量，黑洞的合并同样会释放巨大的能量，但这些能量，持续时间都很短。恒星就不一样了，对恒星来说，一个更重要的特点是，它们能够长时间稳定地输出能量。
生命科学研究显示，早在35亿年前，地球上就开始出现了生命，那时的太阳也必然有着和今天差不多的能量输出。可见，以太阳为代表的恒星，在长达几亿年甚至几十亿年的时间跨度上，一直都在输出能量。
这还不算完。更神奇的是，在太阳长时间稳定对外辐射巨大能量的同时，太阳自身的质量并没有改变太多。这是恒星的第三个特点。
说到这，你可能会觉得奇怪，我们都知道能量守恒，一个物体的能量，不可能一直只有输出，没有输入吧？像太阳这样的恒星，自身的能量虽然巨大，但也不是无限的。它们是怎么做到在这么长的时间里，持续输出能量，却保持自身的质量不变呢？这个问题，也是20世纪天文学最重要的问题之一。
具体来说，我们最熟悉的产生能量的机制是化学燃烧，也就是烧煤、烧柴、烧石油。组成太阳的物质如果都像煤炭和石油那样用来燃烧的话，可以维持大约5000年时间。时间一到，燃料耗尽，太阳就熄灭了，只剩下一块黑黢黢冒黑烟的焦炭。你听到这就能感觉到肯定不对劲。太阳怎么可能只能维持5000年发光发热呢？
这个时候，天文学家们做了一个猜测，恒星可以产生新的能量，而这些能量的来源，来自于彗星的撞击。
这个原理听起来似乎有些道理，太阳系里本来就存在挺多彗星和小行星的，太阳的引力把它们吸引过去，靠着碰撞产生大量的能量，来维持自身。现代天文学真的用望远镜观测到了彗星落入太阳的现象，如此看来，这个原理好像没毛病。
但实际上没这么简单。最明显的一个问题是，要想达到太阳现在释放的这么大的能量，需要有多少彗星和小行星往太阳上掉呢？科学家们经过计算，理想的情况是，每一隔百年，就需要一个和地球质量一样的星体撞上太阳，产生的能量才勉强够用。
然而，经过一系列的计算和推演，科学家们发现，就算把太阳系里包括地球在内的所有行星、所有物质都算进去，碰撞产生的能量，也就顶多维持4万多年。4万多年的能量，比前面说的烧煤进步了很多，但还是远远不够用啊。
当然了，除此之外还有很多别的解释，比如太阳本身会收缩，这样也能释放能量，但是经过计算，天文学家们发现，这些能量，也还是不足以维持恒星的生命周期。
终于，经过几代天文学家和物理学家的共同努力，一个全新的理论诞生了，这就是核聚变反应，聚就是聚集的聚。
简单的说，核聚变的原理就是：质量比较轻的原子相互碰撞，聚合成比较重的原子，原子在碰撞的过程中，会缺损一点点质量，按照爱因斯坦的质能方程E=m乘c的平方计算，缺损的这一点质量乘以光速的平方，就是释放出去的能量。
这个释放能量的过程效率极高，在产生巨大能量的同时，对物质本身的质量损耗却很小。说得再具体一点，1克的氢原子发生核聚变的反应，就可以释放6300亿焦耳的能量，这个数字，相当于同重量煤炭燃烧释放出能量的2000万倍。
恒星的主要成分就是氢原子。就拿太阳来说，太阳内部核聚变产生的能量，足以维持几亿年到几十亿年之久。这也是我们看到恒星能够持续发光的一个最主要原因。
以上就是第一部分的内容了。总的来说，恒星的三个特点，可以总结成一句话，：恒星能长期稳定地输出巨大能量，在输出能量的同时，并不会消耗掉太多自身的质量。
虽然核聚变产生能量的效率极高，能维持的时间长达几十亿年，但是依然不能无限地释放能量。太阳和恒星都有自己的寿命，它们有诞生的时刻，也有停止核聚变，结束生命的时刻。接下来的第二部分，我们就重点来说说，恒星是怎样诞生的，又怎样走完自己的一生？
恒星的一生太漫长了，寿命长的大约需要几百亿年的时间，寿命短的也能持续存在几百万年，这就导致，天文学家不可能跟踪观察一颗恒星的完整生命周期。但是，天文学们还是想到了一种办法：用大样本来换取超长的时间跨度。就像我们不去跟踪一个人的一辈子，但是我们可以去观察社会上不同年龄段的人。统计了处在各个生命时段的恒星后，科学家们发现，大部分恒星都像太阳这样，处于稳定发光的“青壮年”阶段，少数恒星处在诞生之初的“婴幼儿”阶段和即将死亡的“衰老”阶段。把这些统计到的不同年龄段的样本联系起来，就可以拼出一颗恒星一生的演化轨迹。
咱们先来看恒星的诞生。恒星诞生，首先需要星际空间中存在大量的气体和尘埃，这相当于是制造一颗恒星的“原材料”。这些气体和尘埃，在理想状态下，应该是弥漫、离散的，但真实的情况是，它们相互之间有引力，会向一处聚集。不但如此，这些物质越是聚集，对周围其他气体和尘埃的引力就越强，也就会吸引更多的物质进来，是一个正循环的过程。可以说，恒星诞生就相当于是一个引力主导的滚雪球过程。
如果没有任何限制，这个雪球就会越滚越大，直到聚集在中心的物质，把周围能吸引到的气体和尘埃全部吸进去为止。这个过程可能会持续几十万年。
但是，为什么我们观察到的恒星，没有持续吸引周围的物质，而是维持在一个稳定的状态呢？
还是因为我们刚刚提到的核聚变反应。随着聚集起来的物质越来越多，这些物质就会压向恒星的中心。气体积压在一起，中心区域会变得越来越热，密度越来越高，压力越来越大。当温度、密度和压力增加到一个临界状态的时候，就会达到核聚变反应发生的条件，触发核聚变反应。
核聚变反应一旦点燃，就会持续进行下去，产生一系列的连锁反应，再也没有什么力量能阻止它，直到全部可以用来进行核反应的原材料消耗完才能结束。换句话说，恒星内部“核聚变”的过程，就是恒星一生的主题。因此，当恒星中心的物质足够多，多到足以发生核聚变反应的时候，才能够说，一个恒星真正诞生了。也是从这一刻开始，恒星开始发光发热，才能被我们看到。
说完了恒星的诞生，接下来我们再说说，恒星的“青壮年”时代，是一个怎样的状态。
恒星诞生后，会开始向外释放能量，这些能量以光的形式传播出来。光在向外传播的时候，也是带有推动力的，天文学上叫光压或者辐射压。比如太阳光对整个地球会产生大约6亿牛的推力，相当于20枚长征九号火箭的推力。当然这个力量还不足以把地球推开。
咱们前面也提到了，组成恒星的气体，由于相互之间存在引力而聚拢在一起，形成一个气体球。现在，这个气体球的内部也在不断产生光压，产生向外的推力。这种向内的引力和向外的光压彼此达到平衡，是让这个巨大的气体球保持稳定的最主要原因。
这样的状态会伴随恒星一生的大部分时间。因此，恒星的稳定，本质上就是两种力量彼此平衡的结果。恒星的整个青壮年，就是引力和光压两种力量相互对抗的演变过程。
当然，恒星的寿命也是有限的。接下来，我们就再说说，老年恒星是一种怎样的状态。
试想一下，如果核聚变的燃料消耗得差不多了，那就会造成一个结果：恒星内部的氢原子经过核聚变反应，会使得恒心的核心，只剩下氦原子。这就意味着，因为不能产生足够的光压来抗衡引力，恒星的核心气体球会迅速收缩变小。为了寻找到新的平衡点，恒星的外壳迅速膨胀到原来的几百倍大，用这种低效率但是增加面积的方式继续释放能量，来和内部的引力取得新的平衡。这个时候的恒星比过去膨大了很多，整体上能量输出的效率变低，温度也会变低，看起来是橙红色的。这就是天文学上说的红巨星，也就是恒星生命临近终结时的状态。
一旦恒星内部的核聚变反应彻底停止，恒星就不能再以任何形式释放能量，向内的引力会重新成为主导的力量。这会导致恒星进一步收缩，压缩成密度很大的结构，密度大到什么程度呢？一小勺这样的物质就有一辆卡车那么重。恒星的气体外壳会飘散到宇宙的星际空间中。这些气体也许会在未来，在恰当的时候重新汇聚成新一代的恒星。密度很大的核心留在原地，可能会成为白矮星、中子星，也可能成为黑洞。到了这个时候，老恒星的一生，也算是走到了尽头。
总的来说，我们可以把恒星的一生分成三个部分来理解。分别是不断吸收其他物质，直到发生核聚变反应的“婴幼儿阶段”、引力和光压互相牵制，保持平衡稳定的“青壮年阶段”，以及用来核聚变的燃料消耗殆尽的“老年阶段”。
最后，我再来说说，关于恒星的研究，除了满足我们对恒星的好奇心之外，还能给我们带来怎样的启发？
首先，恒星研究给我的启发是，当一项研究，它的对象无法进行直接观察的时候，我们可以在身边寻找参照物。要解决一个抽象的，无法直接观察的问题，先要从熟悉的问题入手。
天文学要研究的所有的恒星都特别遥远，我们不可能凑近了研究，唯一的例外是太阳。所以天文学里，恒星的参照物就是太阳。首先研究太阳，然后把太阳和遥远的恒星建立连接，用太阳来代表恒星。
其次，关于恒星的研究，可以为你看待和描述样本量极大的复杂系统，提供一套参考思路。
比如说，描述一颗恒星的参数有很多，像是温度、质量、半径、平均密度、年龄、运动的速度、颜色等等。要分析这么复杂的一套参数，天文学家是怎么做的呢？
首先，我们天文学家会把全部的参数分成两大类。第一类是靠望远镜观测能直接测量的结果。比如颜色和亮度就可以直接测量。第二类是需要在第一类参数的基础上，结合各种物理理论进行推断才能得到的参数。比如恒星的年龄就属于第二类参数。按照这个逻辑你肯定能明白，研究恒星的基础，一定是能直接观测到的第一类参数。
你看，这样一种思维方式，虽然来源于天文学中关于恒星的专业领域，但是完全可以迁移到你自己的生活和工作中。把纷繁复杂的各种信息分类，分清什么是能直接观察得到的信息，什么是需要经验推论才能得出的结论。能直接观察到的信息，需要的是细致、准确，因为它们是推论的前提和基础。而推论就需要有一套严密的逻辑，和一套相对成熟的思维模型。
最后，也是最重要的启发是，当你面对一个极其困难的问题，既不知道正确的方向，也没有特别好的参考，该怎么办？这个时候，天文学研究恒星的方法告诉我们，你要做的，并不是去想办法得出一个论断，而是先积累数据。
天文学对恒星的研究，直到今天，还有很大的一部分精力，都花在了收集恒星数据上。天文学家需要观测尽可能多的恒星，观察它们长时间的状态变化。这些完备的数据放在一起，就是天文学可以依靠的底层数据库。只有数据库完备了，才能在这个基础上分析它们的参数，一步一步地拓展对恒星的认知。
所以你看，恒星的问题，象征着最遥远、最复杂、最陌生的一类问题。要解决这类问题，需要参照物，需要把参数分类整理，更需要进行大量的经验积累。这些就是恒星研究给我带来的启示，希望它也可以启发你。
好了，以上就是这本《千亿个太阳》的精华内容了。总结一下
我先给你介绍了关于恒星的三个特点，那就是，恒星能长期稳定地输出巨大能量，在输出能量的同时，并不会消耗掉太多自身的质量。
此外，我们还说了，恒星的一生是怎样的。在“婴幼儿时期”，恒星会有强大的引力，不断吸收周围的物质，直到产生核聚变。到了“青壮年”，恒星会达到一种内部的平衡，引力和光压相互牵制，维持稳定的状态。而“暮年”的恒星，由于核聚变的燃料消耗殆尽，会进一步收缩，逐渐走向“死亡”。
最后，天文学家们关于恒星的研究，也可以给你带来独特的启发。当你面对一个陌生，又难度极大的问题时，先别急着找出解决方案。你需要和之前熟悉的经验建立联系，你需要分清哪些信息可以靠观察、实验这些直接经验得出，而哪些信息，只能靠理论和逻辑的推演才能得到。最后，千万别忘了积累信息和经验的重要性。无论你是在什么领域，给自己建立一个可靠的工作“数据库”，总归是有好处的。
撰稿、讲述：高爽 脑图：刘艳脑图工坊