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1964年,热内在俄克拉荷马州大学取得电气工程理学学士学位。之后,他就开始追求自己的所爱:火箭、飞机和女人。他设计了火箭和飞行器的制导系统,还接受了飞行培训。1980年,他在空军技术学院获得了后勤管理的硕士学位,研究飞机和火箭的计算机模拟模型。
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同时,热内在俄亥俄州的费尔伯恩搭建了一个天文台,后来为了观察得更清晰,将其迁至亚利桑那州的霍普金山。1983年,他和同事路易斯·博伊德(Louis Boyd)研制出首架全自动望远镜,由计算机操控的机器人对恒星亮度的变化进行精确的光学测量。打开计算机,定位好恒星,就可以自动拍摄照片,这样在寒夜里,天文学家再也不用熬夜守在望远镜前了。
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1987年,南半球出现了超新星之后,热内写了本书:《1987A超新星:天文学的爆炸性谜团》(Supernova 1987A: Astronomy’s Explosive Enigma)。他还给PBS(美国公共电视网)做了一期1小时的节目,内容是关于自动化天文台的,名为《完美的观星者》(The Perfect Stargazer,1993)。
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谢丽尔·琳达·戴维森(Cheryl Linda Davidson)是热内少年时期的心上人,二人后来终于重逢,2001年11月17日步入婚姻殿堂。同年,热内还取得了天文学博士学位,他们一起在加州圣玛格丽塔附近建立了猎户座研究所和天文台。圣玛格丽塔距海边30多千米(约20英里),能够避开海上雾气的干扰。他们的房子不大,旁边还有一个小型天文台,里面配备先进的望远镜。
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到了这时候,身为天文学家的热内的视角已经变得更广阔了,开始关注到人文领域。他写了一本面向普通大众的书,讲述宇宙和人类进化,关注人类的未来命运。该书于2007年出版,题为:《人类:即将成为蝼蚁的黑猩猩》(Humanity: The Chimpanzees Who Would Be Ants)。
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热内和谢丽尔每年冬天都前往夏威夷瓦胡岛的怀厄奈过冬。其余月份他们都待在圣玛格丽塔,一边在奎斯塔学院教书,一边观察短期出现的食双星现象(两颗恒星连在一起)。罗素还是加州州立理工大学的研究学者,在那儿设立了一个本科研究项目。谢丽尔负责柯林斯基金会出版社(柯林斯教育基金会的出版部门)的管理工作。罗素和谢丽尔定期举办会议,把科学家和人类学家召集起来,一起研讨。
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热内才华横溢,喜欢骑自行车、划皮艇、开飞机、弹琴、写书等等。他敢于追求自己的兴趣,生活过得很好,同时也为人类做出了杰出贡献。下面是他对未来的看法:
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“我认为,人类注定是要离开生于斯长于斯的地球,离开我们所在的这一方小角落,去往银河系的其他恒星系统,或许最终还能遍布整个银河系。太阳只剩下短短的50亿年时光,我们注定要比它活得更长久。宇宙还很年轻,我们也很年轻,宇宙的未来就在我们眼前展开——这场巨大的盛宴,人类将世世代代品味下去。”(www.orionobservatory.org/About%20Russ.html)
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超新星爆发时,其中心坍缩成极度致密的物质。(英裔美国科普作家比尔·布莱森说,即便我们想象把100万颗炮弹压缩成弹球大小,依然接近不了那个密度。)由于超新星核心温度极高,电子与质子融合,形成中子。
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超新星爆发不是通过核聚变,而是通过中子捕获产生比铁(原子序数26)重、一直到铀(原子序数92)的元素。在极度的高温状态下,许多质子与电子融合形成中子。这些多出来的中子与核内剩余的质子结合。然后多余的中子衰变(失去电子)形成多余的质子,于是形成更重元素的核。
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重元素的产生是在非常罕见的超新星死亡时非常短的时间内发生的,前后也就15到30分钟。这也解释了重元素为何那么罕见。即便是现在,经过了几十亿年不断的超新星爆发,氢和氦依然占全部原子的98%。在剩下的2%中,最常见的是原子量从氢和氦以上一直到铁的元素,是濒死恒星内发生的核聚变产生的。其他元素,那些比铁还重的,则极为稀少。随着更多恒星的坍缩和爆炸,比氢和氦重的元素,会继续增多。
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讲到这儿,大家应该知道濒死恒星在大历史中为何是一个临界点或转折点了吧。早期宇宙膨胀并冷却得太快,重元素来不及形成。而恒星核心的高温则为重元素的产生提供了所需的能量。这些重元素能够以不同的方式结合,形成全新的、意想不到的物质。最终,它们结合形成了有生命的东西。假如宇宙中仅存在氢和氦,那么宇宙中也就没有什么故事了。我们生活的宇宙变幻莫测,在宇宙历史进程中的关键临界点,都会经历意想不到的变化。
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化学是研究原子如何结合形成新材料的学科。下一章我们会一起来了解地球表面是如何成为供化学反应发生、组合形成许多新元素的绝佳环境的。
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超新星天文化学家研究什么呢?
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光是宇宙中的伟大奥秘之一。还记得第2章中我们对光的定义吗:没有质量的能量。科学家称之为电磁辐射,即以波的形式在真空中传播的电场和磁场。光的传播不需要任何物质媒介。而且,如果光穿过物质媒介,比如玻璃,它的速度会慢下来。
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阿尔伯特·爱因斯坦证明,光可以理解为在真空中传播的波,速度恒定,每秒几乎是30万千米(约18万英里)。他还指出光也可以理解成一个个独立的能量包,即能量的粒子。但实际上,他证明了光既不是粒子,也不是波。它到底是什么要看具体的环境。正是从这个想法出发,爱因斯坦打开了量子世界“无常”的大门。
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早于爱因斯坦很久,牛顿第一个证明了光包含不同的颜色。光经过三棱镜(三角形玻璃)后,其波长会被分散开,呈现不同颜色组成的光谱。光谱中波长最长的是紫色(红色),中间是绿色,波长最短的是蓝色。
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要想研究来自恒星的光,由于光源太远,星光比地球上的光要弱得多,必须得发明比棱镜更复杂精密的仪器。1814年,德国玻璃工人约瑟夫·冯·弗劳恩霍费尔(Joseph von Fraunhofer,1787—1826)就发明了这样一种仪器,叫作“分光镜”。现在,人们把分光镜装在望远镜上,观察者可以看到来自恒星的可见光被分散成不同的波长。这一进步使天文学转变成了天体物理学。
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借助分光镜,科学家研究发现,来自遥远恒星和行星的光,与地球上的光包含相同的颜色。跟有些人猜想的一致,在其他行星和恒星上,也不存在任何新的颜色。
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但是分光镜所呈现的光谱颜色确实带来了出人意料的新发现:吸收线。这是一种有着奇怪模式的细黑线,出现在光谱中的特定位置。它们看起来就像是在商店购买的商品包装上的条形码。虽然来自恒星的光与地球上的光具有同样的彩虹中的色彩,但恒星光中还多出了暗色的吸收线。(参见http://astronomy.swin.edu.au)
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1900年左右的分光镜
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观察者借助分光镜,能够通过透镜和棱镜看到燃烧的元素产生的气体。光谱中的黑色线条和其他颜色形成鲜明对比,可以确定是哪种元素。从光谱可以看出,钢瓶中燃烧的元素是钠。
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进一步的研究表明,地球上的光也有暗色的吸收线。通过研究地球上的光的“条形码”,科学家发现,造成“条形码”的是不同的化学元素。比如,钠就会在光谱中的黄色部分显示出明显的吸收线。
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每一种元素因其电子轨道不同,都会对光产生特有的效应。每种元素的原子都会产生由线条、间隙和颜色构成的特色鲜明的“条形码”。这就意味着,不论是哪颗恒星,天文学家通过观察它发出的光,就能确定上面存在哪些元素。结果,他们发现恒星并不都是一样的,这让他们感到非常吃惊:有些恒星包含的元素与其他恒星并不相同。由于每颗恒星都会共同具有几种不同的元素,其吸收线往往乱作一团。不过,观察者已经找到了理清这些吸收线的方法。
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