演化史

节肢动物生有带关节的附肢，是现今动物界最大的家族，人们熟悉的蜜蜂、蝴蝶、蜘蛛、蝎子、蜈蚣、虾和蟹等都属节肢动物，其物种总数约占已知后生动物总数的80%。除了物种数量多以外，节肢动物在水、陆、空几乎所有环境中都能生存，这种超强适应能力也是其他动物无法比拟的。

节肢动物生有带关节的附肢，是现今动物界最大的家族，人们熟悉的蜜蜂、蝴蝶、蜘蛛、蝎子、蜈蚣、虾和蟹等都属节肢动物，其物种总数约占已知后生动物总数的80%。除了物种数量多以外，节肢动物在水、陆、空几乎所有环境中都能生存，这种超强适应能力也是其他动物无法比拟的。

节肢动物的外骨骼由上角质层和原角质层组成：蜡质的上角质层具有防水和防止微生物入侵的功能；而几丁质的原角质层则为外骨骼的主要组成部分，具有高度的可塑性，为节肢动物塑型、行为和功能多样性提供了极大的潜能。

节肢动物的外骨骼形成以后不能随生长而增大，所以在生长过程中要多次蜕去外壳，这就为个体发育过程的多态性提供了可能。比如螃蟹，从卵到成体，要经历蚤状幼体、大眼幼体和幼蟹三个中间阶段，幼体和成体的形态差异极大。蚤状幼体是刚从蟹卵中孵出的脱离母体的幼体，因外形像水蚤而得名。它分头胸部和腹部两部分，头胸部近球形，具1枚背刺、1枚额刺和2枚侧刺，1对复眼；腹部狭长，尾节还分叉。蚤状幼体营浮游生活，经5次蜕皮后变成大眼幼体。大眼幼体呈龙虾形，既可游泳，又可爬行。头胸甲上的刺全部消失，额缘内凹，眼柄生出，末端着生复眼。它体形扁平，腹部发达，不向胸下折叠，而是伸向后方；5对附肢长得几乎同成体的一样，用于游泳。大眼幼体经几次蜕皮则成为幼蟹，只能过底栖爬行的生活。至此，幼蟹的外形几乎与成蟹的相同，但甲壳并不随身体的成长而扩大，仍需蜕壳使身体继续成长。每蜕壳一次，身体会增大，体重会增加，直至长成成蟹。

节肢动物曾经有过辉煌的演化历史：在寒武纪大爆发的序幕——小壳动物大爆发时，节肢动物的祖先就已经出现，并且有可能发生了分化；到以澄江生物群为代表的寒武纪大爆发的高潮时（5.3亿年前），节肢动物已迅速成为最庞大的动物家族，并在后来5亿多年的演化史中保持优势，不仅演化出最早会飞的动物，而且还演化出高度分工、营社会性生活的节肢动物，成为今天世界上最成功的动物类群之一。

为什么正好选 7 个太阳质量？我们选择这颗星来进行计算的原因是希望它在演化的后期有一定把握经过所谓造父变星演化阶段，并具有这类变星的全部性质。而在这以前没有人能看到一颗普通的主序星怎样在演化过程中变成造父变星的。现在有了强有力的亨耶方法，就有希望达到这个目的。果然，这颗恒星在演化过程中甚至多次地经过了造父变星阶段。关于这点我还要再提到，但现在我想先按顺序地介绍一下 7 个太阳质量的恒星的演化过程。

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先从主序阶段开始。这时恒星内部的化学组成是均匀的，并且是由含氢丰富的物质组成的。恒星具有主序星的所有性质。图 6-1、图 6-2 给出了这颗星在主序以后的变化。图 6-1 中的各图表示恒星在不同演化阶段的内部结构，是从图 6-1(a)所示的化学组成均匀的初始模型开始。图 6-2 给出这颗星在赫罗图中的演化程，图中同时还给出其他质量不同的恒星的演化程。演化程是由主序开始，而且也正如我们所希望的那样，进入到红超巨星区域。以前有人曾经说过，恒星的氢储量可以维持供能很长时间。由图 2-11 就可粗略地看出，7 个太阳质量的恒星根据它的氢储量可以生活几千万年，并且要在相当长的时间内，氦才会在对流核内逐渐增多。这期间恒星的总结构仅有微小的变化：它的半径略微地增大了一点，表面温度先是下降然后又上升，光度增大了一点点。恒星在赫罗图中先慢慢地往右移动（图 6-2），然后又转为向左移动，但它在整个这段时间里一直停留在主序带内。由氢燃烧开始到中心核内的全部能源耗尽大约要经过 2600 万年。在这以后，恒星的内部将会发生大的变化。

由于中心核内产生的能量已不够维持它的辐射，于是在一个壳层内发生了氢燃烧，这个壳层就处于氢已燃烧完的核的外面。这和太阳演化史中所出现的壳层源一样（图 6-1(b)）。在壳层外部的物质仍是含氢丰富的原始物质，而在壳层源以内则仅仅是氦了。所以恒星现在有一个氦核，并在氦核的外表层内发生氢聚变为氦的反应。

这以后的恒星演化进行得很快。壳层源内部的氦核向内收缩并变热，它外部的恒星外壳向外膨胀并不断变冷。表面温度大大降低，相反光度却维持不变。在赫罗图中恒星水平地向右移动。它变成了红超巨星（见图

6-1(c)和图 6-2）。这个转变仅用了 50 万年。在这个相对很短的时间里恒星由左到右穿过了整个赫罗图。

在红超巨星区域出现了一个新的现象。外层在温度下降时变为不透明，因此在这里能量的传递要靠对流来进行。于是，恒星内出现一个很厚的外对流层，它从表面一直延伸到内部。恒星总质量的大约 70%暂时都在

外对流层内。有物质上下运动的外对流层还没有深入到能够使中心区域新产生的氦和外部混合，氦仍然保留在中心附近。

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同样红超巨星区的内部也进入到了一个新的演化阶段。当外部区域向外膨胀时，已燃烧完的氦核却强烈地向内收缩，并使中心的密度可以升高到每立方厘米 6 千克。被这样压缩的物质不断变热，最终可以使温度达到 1 亿度。正如我们已经知道的，这个温度可以使氦转变为碳。从恒星在主序有氢聚变开始，经过 2650 万年后它又开发出一个新的能源，即氦聚变为碳（见图 3-4）。和以前的氢燃烧一样，现在氦燃烧也是集中在最内部的中心附近，并且在这里同样也出现了一个相对小的对流核。恒星的光度现在由两个能源来提供：在壳层内有氢转变为氦，在中心有氦转变为碳的核反应〔见图 6-1(d)〕。

这以后恒星的演化将变得相当复杂。最内部的核内碳在增多，而氦不断被消耗。从氦开始燃烧起经过 600 万年以后，中心的氦就全部烧尽了。和从前一样，现在又出现一个使氦变为碳的壳层源。恒星的化学组成现在已不那么简单了：外层仍然是原始的，即从恒星诞生时就有的以氢为主的混合物；在它的下面有一氦层，氦层内部还埋有一个碳球。核反应是在两个交界面上发生的，即在原始混合物与氦过渡的交界以及更内部在碳和氦的交界面上。所以恒星现在有两个壳层源〔图 6-1(e)〕。在赫罗图中恒星多次地来回运动，但大部分时间是停留在红巨星区域。最外部的壳层源很快熄灭了，恒星只能依靠氦聚变来产能〔图 6-1(f)〕。以后的过程变得更复杂、中心区域的温度迟早要达到使碳转变为其他元素，并且使核反应继续下去。

这就是我们在 1963 年所得到的 7 个太阳质量的恒星的历史。以后又有很多科学家进行了类似的不同质量的恒星的演化计算。美国的皮埃尔·德马尔凯(Pierre Demarque)和伊科·伊本(Icko Iben)计算了很多演化程。现在厄巴纳市伊利诺伊大学当教授的伊本尤其注意研究恒星核反应的各个细节。他现今的工作是寻找恒星如何能够将内部形成的元素同位素带到表面的机制。因为在有些恒星大气里出现了一些元素，它们是不久前在很深的内部刚刚形成的。波兰的博丹·巴钦斯基(Bohdan Paczy-nski)也是研究恒星演化的先驱者。他是在一个不利的条件下起步的，因为华沙的计算机功能比他的同行们的计算机的功能要差得多。然而他还是将一个复杂的按亨耶方法编制的程序在这个计算机上进行了运算。粗略地说，2 个太阳质量到大约 60 个太阳质量之间的恒星，它们的演化和以上所说的 7 个太阳质量的恒星的演化很相似，而较小质量恒星的演化和太阳的演化相似。

至今还没有得到解决的氯和中微子实验对于天体物理学家的自信心并没有产生很大的影响，因为还有其他的例子可以说明计算结果和天文观测是一致的。本章将要讲述这些例子。在这章里我们要研究质量远大于太阳质量的恒星的演化。由于质量较大的恒星消耗核能源比较快，所以它们属于能源已在很大程度上被耗尽的恒星。天体物理学家可以检验，由计算机预测到的这些恒星的演化过程是否和宇宙中真实的过程相符合。

但是要用计算机去模拟计算一颗恒星从早期直到相当晚期的演化阶段，还存在很多困难。绝不可以认为，只要有一台战后出现的大型计算机就能很好地、自动而准确地进行计算了。为了要知道恒星随时间的演化，首先需要发明新的计算方法。

外行人可能会奇怪，为什么单纯有台大型计算机还不能解决某一计算任务，还需要有新的计算方法？一般地说，从事观测的天文学家都很明白，如果有一台新的望远镜或是一个新的天文卫星，人们就能观测到更遥远的天体。然而发明一个新的数学方法也可以取得相同的进展，这一点就不那么容易被人所理解，因为数学方法并不能做成木制模型或纸模型，或者是做成彩色幻灯片，也不致于使人们为它举办由主管部长亲自出面主持的庆典。

星系的演化史

在宇宙大尺度结构的研究中，星系只是被看作一个质点，它本身没有什么变化可言。但从星系内部看，也有自己的演化史。

幸亏由于星系离我们十分遥远和光速的有限性，我们可以通过考察距离不同（因此年龄不同）的星系来研究它们的演化历程。例如：仙女座大星云离我们２００万光年，我们今天看到的实际上是它２００万年前的面貌。

同样，当我们观察距离５０００万光年的室女座星系团中的星系时，它的光是５０００万年前发出的。借助大型望远镜，我们可以看到处于宇宙深处的更年轻的星系。

刚刚从原始气云凝结出来的星系胚胎是什么样子，目前天文学家尚不清楚，因为在第一代明亮的恒星形成以前，这些遥远的暗弱气体是很容易逃过目前最强大的望远镜的追踪的。随着时间的推移，原始星系云开始收缩和冷却，一步步分裂为更小更密的碎片，由这些碎片中最终诞生出第一代恒星。第一代恒星比太阳要重得多，明亮得多，寿命也短得多。在大约１０００万年内便耗尽了自己的燃料，然后通过爆发形式把自己内部合成的重元素抛回星际空间，进入第二代、第三代恒星形成和演化的循环。上述过程的后果是星系越年轻，重元素的含量应越少，而颜色则应偏蓝。天文观测表明情况的确如此。

除了化学组成以外，星系的形态也随时间而变化。早期星系的密度比现在高得多，相邻星系在引力作用下彼此靠近，产生潮汐形变甚至合并为一的可能性也就高得多。８０年代发射的红外天文卫星发现了一批极亮的年轻星系，其中约６０%表现出潮汐形变或合并的特征：有的星系拖出一条“尾巴”，有的星系长出两支“角”，有的双星系之间有“桥”相通。