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我在童年时就为太阳也许会发生爆炸而提心吊胆。不过，太阳根本不可能会变成一颖超新星，这是因为它太小了。小质量恒星的命运与它们的大质量兄弟完全不同，远远没有后者那么剧烈。首先，吞食燃料的核过程进行得比较温和。事实上，处于恒星质量范围低端的一颗矮星可以持续发光 1 万亿年。其次，一颗小质量恒星所能产生的内部温度是不够高的，不足以合成铁，因此不会出现一场灾变性的暴缩。
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太阳是一颗典型的质量不大的恒星，它平稳地燃烧自身的氢燃料，并把核区转变成氦。目前，就有些核反应来说它的内核是不活泼的，因此内核无法提供足够高的热能以维持太阳不出现毁灭性的引力收缩。为了防止坍缩的发生，太阳必须使它的核区活动向外扩展，以寻找未经反应的氢。同时，氦核逐步收缩。因此，尽管在过去几十亿年中太阳内部发生了一些变化，其外貌却几乎没有任何的改变。它的体积将会膨胀，但表面温度却略有下降，颜色也会变得红一些。这种趋势一直要持续到太阳变成一颗红巨星，那时它的直径也许会增大 500 倍。天文学家对红巨星是很熟悉的。夜间天空中几颗很著名的亮星，如毕宿五（金牛 α ）、参宿四（猎户 α ）和大角（牧夫 α ）都属于这一类。红巨星阶段标志着小质量恒星生命结束期的开始。
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虽然红巨星相对来说温度比较低，但是它的直径很大，因而有着巨大的辐射表面，这意味着总光度更大了。随着热流量增强并袭击太阳系行星时，这些行星将面临一个艰难的时期，这一阶段大约要延续 40 亿年。在这一阶段结束之前，地球早就变得不适应人类居住了，海洋因蒸发而干涸，大气也都己被剥离。随着太阳不断地膨胀变大，它首先会吞没水星，接着是金星，最后连地球也都落入熊熊燃烧着的太阳壳层之内。即使经历了彻底的焚烧和葬礼，我们的行星缩成一堆灰烬之后，它仍然固守着自己的运动轨道。太阳那红色炽热的体密度非常之低，接近于真空，因而对地球的运动几乎不会产生任何阻力。
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我们能在宇宙中生存，这件事情的本身得归功于太阳一类恒星的极端稳定性。它们可以在几十亿年时间内稳定地燃烧而几乎没有发生任何变化，这段时间之长已足以使生命进化并繁荣起来。但是，随着红巨星阶段的到来，这种稳定性便不复存在。太阳一类恒星在其生涯中红巨星后的各个阶段情况复杂，活动激烈而又变化无常；相对而言它的行为和外貌会发生较快的变化。上了年纪的恒星可能会经历几百万年时间的脉动，或抛掉外层气体。恒星核区中的氦可能会点燃，生成碳、氮和氧，并提供能使恒星维持较长一段时间所必须的能量。一旦外壳被抛入太空，恒星便不再继续剥落，最后露出的是它的碳氧核。
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在这一复杂活动时期以后，小质量和中等质量恒星不可避免地会向引力屈服，并开始收缩。这种收缩是不可逆转的，并一直要进行到恒星被压缩至小的行星那么大为止。恒星变成一个天文学家称之为白矮星的天体。因为白矮星非常之小，所以极其暗弱，尽管它们的表面温度实际上要比太阳表面温度还高得多。在地球上只有用望远镜才能看到它们。
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白矮星就是太阳遥远未来的归宿。当太阳到达那一阶段时，它仍能在好几十亿年时间内维持炽热状态。它的绝大部份密度非常高，结果内部热量被有效地封闭起来，其绝热性能比我们现在已知道的最好的绝热体还要好。但是，热辐射在向寒冷的外部空间缓慢地泄漏，而由于内部核熔炉永久性地关闭，因而再也不能指望有任何燃料贮备来补充这种热辐射。我们曾经拥有过的太阳现在成了白矮星残骸，它将非常非常缓慢地冷却下来并变得越来越暗，直到进入它的最终变化形态。在这一过程中它逐渐变硬，成为一种刚性极好的晶体。最终，它会继续变暗直至完全消失，销声匿迹于黑暗的太空之中。
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宇宙的最后三分钟 [:1700906553]
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宇宙的最后三分钟 第五章 黑夜降临
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银河系闪烁着 1000 亿颗恒星的光芒，它们中的每一个又都必然面临末日的到来。在 100 亿年后，我们现在所见到的大多数恒星将会从视线中消失，因缺乏燃料而死去，成为热力学第二定律的牺牲品。
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但是，银河系将依然星光闪烁，因为即使一些恒星死亡了，新的恒星会生而代之。在银河系的旋臂，如太阳目前所在的旋臂中，气体云在引力作用下收缩、坍缩和碎裂，并触发一连串的恒星诞生。看一下著名的猎户座，就会发现这种恒星苗圃中的活动情况。猎户“佩剑”（在北半球看来它好像被挂在腰带的下方），中央有一团黑糊糊的绒毛状光斑。实际上它不是一颗恒星而是一团星云。在这个巨大的气体云中散布着一些明亮的年轻恒星。天文学家最近通过观测红外辐射（而不是可见光），已窥察到那儿处于最初形成阶段的恒星，它们仍然被气体和尘埃所包围，亮度也就降低了。
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只要有足够的气体，在我们星系的旋臂中将会继续形成新的恒星。银河系气体一部分是还没有聚集成恒星的原初物质，而另一部分气体则是从老年恒星以超新星碎屑、星风、小爆发和其他一些过程的形式抛出来的。显然，这种物质的再循环过程是不可能永无止境的。当老年恒星死亡并坍缩成白矮星、中子星或黑洞时，便不能再对星际气体进行补充。原初物质会一点一点地并入新生的恒星，直到全部用完。当最后一代恒星走完它们的生命轮回而死亡时，星系便不可避免地开始变暗。这种变暗过程会拖得很长，要经过好几十亿年之后，最小最年轻的恒星才能结束它们的核燃烧，并收缩成白矮星。但是，作为缓慢而痛苦挣扎的结局，永恒的黑暗终将来临。
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类似的命运等待着所有散布在广袤空间中的其他星系。现在，整个宇宙因核动力的丰富能量而显得绚丽多采，但它终将把这种宝贵的能源消耗殆尽。光辉时代总要永恒地结束，一去而不复返。
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但是，当宇宙之光熄灭的时候，宇宙的末日还不会来临，因为还存在另一种比核反应更强大的能源。引力，这种在原子层次上最弱的自然力，在天文尺度上可以变成占绝对优势的力。引力的效应也许是相对温和的，但是这种力却是百折不挠，永远存在。在几十亿年时间里，恒星借助核燃烧来维持自己，抵抗自身的重量。但是，每时每刻引力都在寻求机会，以图把恒星压得粉碎。
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原子核中两质子间的引力仅仅是核力的 10 万亿亿亿亿分之一( 10-37 )。不过，引力具有累积的特性。恒星中每增加一个质子，总重量就会增加，最终引力会变得压倒一切。正是这种压倒一切的力为我们提供了打开巨大能库的钥匙。
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没有一种天体能比黑洞更生动地说明引力的威势了。这里，引力获得绝对的胜利，恒星被压得荡然无存，要说留下痕迹也只是使周围时空变得无限弯曲。关于黑洞，有一个绝妙动人的思想性实验。想象有一小球，譬如一个普通的台球，从远处落入黑洞。这个球钻入黑洞后便会从视野中消失，它就这样丢失了，再也找不回来。但是，它在黑洞的结构中会留下曾经存在过的一丝痕迹。作为黑洞，吞没这个球的结果是会变得稍稍大一点。计算表明，如果这个球从静止状态直接落向黑洞中心，黑洞增加的质量将等于小球原来的质量，任何能量或质量都没有逃逸出去。
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图 5-1 在这项理想化的假想性实验中，绳子系住的重物用一固定的滑轮系统（图中未画出固定装置）朝黑洞表面慢慢下降。结果，下降的重物会做功，并把能量释放给盒子。当重物接黑洞表面时所释放的总能量便趋近于重物的全部静止质量能。
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现在来考虑另外一个实验，实验中的小球是慢慢地向黑洞下降，用一根带子系在小球上就能做到这一点。把这根带子穿过滑轮连到一个可使带子放松的滚筒上（图 5-1 ，假设这根带子没有弹性，也没有重量。这只是一种习惯假定，以避免讨论的复杂化）。小球下降时会释放出能量，如通过与滚筒连在一起的发电机的转动便能做到这一点。小球越靠近黑洞表面，黑洞对小球施加的引力越强。因此小球的重量增加，而它对发电机所作的功便越来越大。简单的计算可以求出小球在到达黑洞表面之前总共可以把多少能量赋予发电机。在这种理想情况下，答案是相当于这个小球全部静止质量的能量。
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回想一下爱因斯坦的著名公式 E ＝ mc2 ，它告诉我们质量 m 所相当的能量为 mc2 。利用黑洞，人们原则上可以收回这份能量。对一个重 100 克的台球来说，这份能量意味着约 l0 亿千瓦时的电功率（光速 c 为每秒 30 万公里）。作为比较，太阳通过核聚变燃烧100 克燃料，所释放的能量还不到这个数字的百分之一。所以，原则上引力能的释放比作为恒星能源的热核聚变强 100 倍以上。
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当然，上述两种假设情况完全是不现实的。毫无疑问，天体在连续不断地落入黑洞，但决不是准确地沿径向下落，也绝对不会以最有效的汲取能量方式悬挂在滑轮上。因此，实际发射的静止质量能量介于零和百分之一百之间，具体来说究竟有多大比例则取决于物理环境。在过去的几十年里，天体物理学家进行了广泛的计算机模拟，并研究了其他—些数学模型，以图认识气体在旋入黑洞时的行为，并估计所释放能量的大小和形式。这里涉及的物理过程非常复杂，但可以肯定的是，从这种系统可源源不断地输出巨大的引力能。
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一次观测等价于 1000 次计算，天文学家一直在广泛地搜索可能正处于吞食物质过程中的黑洞。在天鹅座有一个看来很令人相信是黑洞的系统，那就是天鹅 X-1 ，光学望远镜发现了一个巨大而又炽热的恒星，这类恒星因其颜色而称为蓝巨星。天文学家从它的光谱可以知道这颗蓝巨星不是一颗单星，因为它表现出节律摆动，说明附近有一个天体正通过引力作用周期性地牵制它。很明显，这颗星和另一个天体在密近轨道上互绕着转动。但是，光学望远镜怎么也看不到它的伴星；它要么是个黑洞，要么是颗很暗的致密星。它是个黑洞只是一种可能，而决不是证据。
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进一步的线索来自对这个暗天体质量的估计。只要知道蓝巨星的质量，暗天体质量便可按牛顿定律导出。为了做到这一点，可利用恒星质量和它的颜色之间所存在的密切关系：大质量恒星往往温度很高，因而呈蓝色。计算表明，这颗不可见伴星的质量为几倍的太阳质量。很清楚，这不是一颗普通的暗小恒星，所以它必定是一个已经历了坍缩过程的大质量星，如白矮星、中子星或黑洞。但鉴于一些带根本性的物理学原因，这个大质量致密天体不可能是白矮星或中子里。问题在于，它有很强的引力场，而这种引力场会力图把这个天体挤压得粉碎。要避免完全坍缩成一个黑洞，必须内部存在某种压力，而且强度要足以同重力的镇压力相抗衡。但是，如果这个坍缩天体有几倍太阳质量，那么，就现在所知，没有一种力可抵挡这种能压碎一切的物质重量。事实上可以证明，如果恒星核区足够坚硬而不会被压碎，则核区物质中的声速必然会超过光速。因为这是违背相对论的，所以大多数物理学家相天文学家相信，在这种环境下黑洞的形成是必然的。
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但是，决定性证据完全来自另一项观测。正如天鹅 X-1 的名称所示，这个系统是一个强 X 射线源，而 X 射线可用特别设计的星载传感器来加以探测。根据天鹅 X-1 的暗伴天体是一个黑洞的假设，理论模型令人信服地给出了它的 X 射线流量。通过计算得出的黑洞引力场很强，因而能从蓝巨星中吸取物质。这些掠夺过来的气体在拉向黑洞并最终湮没的过程中，系统的轨道转动会使这些下落物质绕黑洞作涡旋式运动，并形成一个盘。这种盘不可能完全稳定，因为近中心的物质绕黑洞的转动比外边缘附近物质的转动快得多，而粘滞力则力图消除这种转动差异。结果是气体被加热，最后所达到的温度很高，因而不仅能发射可见光，而且能发射 X 射线。这相当于损失轨道能量，从而使气体缓慢地旋入黑洞。
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