宇宙中有很多浩瀚的星系，銀河系中的太陽照亮我們的世界，給我們帶來光明和溫暖。但恒星會永恒嗎？太陽最後也會毀滅？到那時我們又該何去何從呢？或許“流浪地球”裏的世界真會到來，我們是否真會帶著地球“流浪”呢？
出品："格致論道講壇"公衆號（ID：SELFtalks）
以下內容爲中國科學院國家天文台助理研究員張君波演講實錄：
2019年大年初一上映了一部非常精彩的科幻電影，叫《流浪地球》。
這部電影講的是假設太陽演化到了紅巨星階段，在短短數百年內，它將發生氦閃，地球將面臨危險。
于是，人類聯合政府啓動了“流浪地球計劃”，計劃將地球作爲一艘宇宙飛船，帶領地球生命駛離太陽系，飛向4.2光年外的最近的恒星——比鄰星，在這個過程當中發生的一些故事。
什麽是紅巨星？什麽是氦閃？
要解答這些問題，就要從天文學中非常重要的研究方向——恒星及演化理論中去尋找答案了。
恒星與宇宙
什麽是恒星？
恒星是一種非常常見的天體，它是一顆憑借自身引力凝聚成的能自己發光的球體。
離我們最近的是哪個恒星？
最近的恒星就是我們熟悉的太陽。太陽的半徑是70萬公裏，是地球半徑的109倍，地球距離太陽1.5億公裏遠。
宇宙中公認的最快速度是真空中的光速，光以大約每秒30萬公裏的速度，從太陽表面到地球也需要500秒的時間，大概8.3分鍾。
如果大家走到戶外，看到的太陽光其實是8.3分鍾之前太陽發出的光。此時此刻，太陽發生的任何變化，我們需要再等上8.3分鍾才可以看到，可見這個距離非常遠。
太陽的體積是地球的130萬倍。天文學家通過分析太陽的光譜得知，太陽的大氣中，70%是氫，28%是氦，2%是重元素，其實太陽在銀河系中是非常普通的一顆恒星，它不算大，甚至還有一點點小。
銀河系長什麽樣？
我們不知道。蘇轼在《題西林壁》裏寫到“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。由于我們生活在銀河系，因此無法跳出銀河系來給它拍一張照片，但是我們通過觀測研究發現，銀河系是一個漩渦星系，我們的鄰居仙女座大星系正好也是一個漩渦星系。
銀河系是一個明亮的河球，有銀盤、銀暈，于是天文學家根據觀測，以及一些理論，再加上看到的一些漩渦星系，構想出了銀河系大概的樣子。
太陽在哪裏？給大家圈出來了。銀河系有河球、銀盤、銀暈，銀盤上有很多懸臂。
銀河系有多少顆像太陽一樣的恒星？據統計，大概有2000-4000億顆恒星。剛才給大家演示的仙女座大星系，無論從質量還是半徑上來看都比銀河系要大一倍，也就是說仙女座大星系至少要有4000億顆恒星。
宇宙到底有多少顆恒星？可以初步估算一下，宇宙大約有上千億個星系，每個星系大約有上千億顆恒星，整個宇宙包含了大約10的22次方顆恒星，這個數量我們不知道有多大，只知道大概是這個數字。
大家有沒有數過地球上的沙粒？它是數不盡的。有人做了統計，大概地球上會有10的18次方顆沙子。宇宙當中有10的22次方顆恒星，也就是宇宙中恒星的數目比地球上的沙粒還要多得多。宇宙這麽大，似乎拿望遠鏡對向天空，就可以撈到大把的恒星。
恒星的誕生
大量研究發現，恒星跟人類一樣有出生和死亡，恒星寶寶是怎麽誕生的呢？
恒星寶寶實際上起源于一團氣體雲，氣體雲會存在分布不均勻的情況，密度比較大的區域存在引力，會吸引周圍的氣體，使自己的質量逐漸增大，然後形成一顆原恒星。
人和人之間根據牛頓萬有引力定律有萬有引力作用，那我們爲什麽感覺不到呢？因爲質量太小了，如果質量大到一定程度，引力的作用就會非常明顯。
剛才提到原恒星形成之後，就像滾雪球，越滾越大，原恒星的質量非常高，高到一定程度，恒星內部的溫度、壓強、密度都會非常高，高到能夠將原恒星內部的氫點燃，發生核聚變，于是一顆恒星寶寶就這樣誕生了。
宇宙中恒星的數目非常多，種類也很多，就拿最熟悉的太陽來講解恒星的一生吧。
太陽寶寶誕生之後，意味著它的內部啓動了氫核聚變，氫燃燒之後會進入一個非常穩定的階段，叫主序階段。
主序階段是怎麽達到穩定的呢？恒星內部不斷燃燒氫，發生核聚變，氫發生核聚變會生成更重的氦，氦會沉積在恒星的內部。
在這個核聚變的過程中，恒星會輻射出大量的能量，能量會支撐恒星有一個向外膨脹的作用力。另外，由于恒星太陽的質量非常大，所以由于引力、重力的作用它會有相對收縮的力，兩者達到平衡後，就形成一個穩定的階段。
也就是說，現在的太陽就處在一個穩定燃燒的階段，即主序階段。據天文學家研究計算，太陽已經穩定燃燒了45億年，而且還將繼續穩定燃燒50億年。
設想一下，總有一天太陽內部的氫會耗盡，那一天會怎麽樣？如果恒星內部的氫燃燒完了並生成了氦，這時的氦暫時無法點燃，會占據恒星內部，而氫就會跑到恒星的外部，燃燒就從恒星內部轉移到恒星外部，這就打破了原有的平衡。
于是太陽就會向外擴張，擴張成一個又大又紅又亮的恒星。這個階段就稱爲紅巨星階段。
紅巨星的半徑非常大，對于太陽來說，當它演化到晚期紅巨星階段時，它的半徑會漫過水星、金星的軌道，甚至到達地球的附近，太陽能量如此巨大，溫度還非常高，地球早就不複存在了。
什麽是氦閃？
氦閃實際是發生在恒星演化到紅巨星晚期的時候，由于恒星在中期時積累了很高的溫度，在中心部分將氦點燃了，氦點燃之後燃燒非常快，短短數秒鍾之內就能夠釋放出大量的能量。
在《流浪地球》小說原著中描述的氦閃過程非常震撼，但實際上氦閃的過程是發生在恒星內部的，我們是看不到那樣震撼的場面。
《流浪地球》說人類爲了避免氦閃才開始了逃亡計劃，這個不太准確，實際上在太陽演化成紅巨星之前，就應該做好逃亡的准備。如果等到氦閃的時候才逃亡，地球已經被紅巨星給吞沒了。
另外，剛才提到太陽還將穩定燃燒50億年，其實我們並不需要太過擔心太陽老了之後會造成地球毀滅。我們反而更應該擔心，由于人類自己缺乏保護地球生態環境的意識而毀滅了地球。
比如，我們不注意碳的排放量，全球溫度升高，造成冰山融化，可能在太陽引起地球變化之前，地球就因爲人類種種的活動而毀滅了，所以保護地球還是最首要的任務。
恒星的死亡
恒星真的永恒嗎？
恒星不是永恒的，它會死亡。對于太陽這樣的恒星，當它演化到紅巨星階段時，就意味著它瀕臨死亡了。
天文學家通過分析發現，恒星確實是有壽命的，而且它的壽命跟它的質量有很大關系，對于一顆跟太陽質量差不多的恒星，它的壽命大概是百億年量級，太陽現在的年齡大約是45億年，老去至少還要50億年。
對于質量大的恒星，如果是40個太陽質量的恒星，它的壽命僅僅是300萬年。對于質量小的，比如只有0.2個太陽質量的恒星，它們的壽命將是2500億年。
恒星的質量不光決定了它的壽命，另外，不同質量的恒星顔色也不一樣。大質量的恒星通常會發偏藍白的光，小質量的恒星發出來的光偏紅。
我們還注意到，恒星不同的顔色溫度就不同，藍白的光溫度比較高，質量小一點的，發紅光的恒星溫度相對較低。
天文學家根據類似太陽的恒星光譜能量分布，將恒星分成很多不同的光譜星。我的主要研究方向就是像太陽一樣的晚型的恒星。
剛才提到恒星的質量決定了恒星的演化情況、恒星的狀態。另外，恒星的質量還決定了恒星最終死亡後的産物是什麽，也就是恒星最終的歸宿。
對于中小質量恒星，比如小于8個太陽質量的恒星，它們演化到晚期的時候會形成一顆紅巨星，之後會將周圍的物質抛灑出來，只留下中心一顆體積很小，密度很高的星體球體，就是白矮星。
對于大質量恒星，它們演化到晚期會形成紅超巨星，並且發生超新星爆炸，爆炸之後，留下了中心非常小的核。
如果它原來的質量大于8個太陽質量，小于20個太陽質量，這個核就會變成中子星。
如果大于20個太陽質量，超級星爆炸後，中心會留下一個黑洞。
如果有機會從白矮星上摳下來籃球大小的一塊物質，放在天秤的一端，要想讓天秤保持平衡，天秤的另一端就需要放一艘航海巨輪，可見這個白矮星的密度之高。
假如我們有一雙手，可以伸到黑洞裏去挖下來一個玻璃球這麽大的小球，它的質量也會等于地球。
剛才提到我的主要研究方向是晚型恒星，研究的方法就是用天文望遠鏡拍攝恒星的光譜，這些就是恒星的光譜，這個光譜大家看了可能有一點密集恐懼症，但是我敢保證，這個光譜已經是我看到的最好的太陽光譜了。
通過分析太陽光譜，包括恒星光譜，我們可以得到恒星的參數，包括這顆恒星的表面溫度、重力、金屬含量，還可以結合演化曲線得到恒星的質量、年齡、速度等等。
有了這些信息，我們可以研究很多恒星的理論。另外，我們還可以通過分析恒星光譜來獲得恒星各種元素的組成成分，從而研究恒星以及星系的形成和演化。
平時的觀測要利用國內、國外的大型望遠鏡。非常幸運的是，我在我們國家天文台興隆觀測站工作，這也是亞洲大陸最大的光學天文觀測基地，它擁有口徑超過50厘米的科研級望遠鏡9台。
我主要用其中兩台比較大的望遠鏡，它們是觀測基地最大的兩台，也是目前我們國家已經建成的口徑排名第一和第三的光學天文望遠鏡——郭守敬望遠鏡和2.16米望遠鏡。
在夜晚的基地上空，我們能夠看到非常燦爛的星空，時間合適，就可以看到這樣絢爛的銀河。
恒星的搖籃和墳墓
如果仔細去看，我們可以看到天上的星星分很多種，而且顔色是不一樣的，還會看到一個非常明顯的星座，那是冬季最爲耀眼的星座——獵戶座。旁邊的這幅圖展示的是依據希臘神話想象出來的一個獵人的形象。
上面兩顆星是獵人的肩膀，下面兩顆星是獵人的兩條腿，中間的兩顆星是獵人的腰帶，下面一束是獵人的佩劍，左上角的那顆星看起來和其他的星不一樣，有點發黃、發紅，而且個頭比較大。
觀測發現，這顆星是一顆紅超巨星，質量大約是太陽的十幾倍，我們估算它有可能已經發生了超級星爆炸，但是現在暫時看不到，因爲它距離我們大約有1500光年，也就是說，我們想看到它爆炸之後的景象，要等上1500年。
下面模模糊糊的一束就是獵人的佩劍，如果在山上拿一個十厘米口徑的小的科普望遠鏡，後面接一個單反相機，就可以拍到這樣的景象。
這就是著名的獵戶座大星雲，這個星雲的中間區域有很多明亮的部分，這些部分就是恒星寶寶成團誕生的區域，也叫恒星形成區，也就是說獵戶座大星雲是恒星寶寶誕生的搖籃。
天空中有很多漂亮的星雲，剛才說到恒星誕生的搖籃，現在我們再來說一下恒星死亡的墳墓。
這顆星是一顆紅超巨星發生了超級星爆炸之後留下的遺迹，非常著名的蟹狀星雲。
這個是窩狀星雲，它的質量明顯沒有剛才那顆恒星的質量大，因此爆炸得沒有那麽嚴重，還是比較整齊的，中心有一個小白點，這就是留下的一個中心致密的核。
這個星雲是貓眼星雲，很多天文學家研究它，因爲它是一顆質量爲太陽大小的恒星在死亡的時候留下的景象。從這張照片當中，我們似乎可以看到太陽在死亡的時候會是一個什麽樣的景象，而且也基本能夠感受到這顆恒星在死亡前的掙紮。
質量大于20個太陽質量的恒星死亡後會形成黑洞。
2019年之前，天文學家並不知道黑洞真正長什麽樣，因爲黑洞的質量太大了，引力非常強，強到即使是光以那麽大的速度都逃不出來，所以，我們說它黑也是因爲光跑不出來，我們看不到它。
但是，由于黑洞的周圍會存在強引力場，黑洞周圍的氣體會形成一個吸積盤，有些時候會有一些噴流，所以有時候我們可以觀測到這些明亮的部分。
于是我們根據觀測到的部分想象黑洞原來的樣子。直到2019年4月10號，我們終于獲得了人類曆史上第一張黑洞照片，這張照片由全球200多位天文學家利用8台亞毫米波設計望遠鏡組成的巨大望遠鏡陣，對M87這個橢圓星系中心拍攝拍到的。
大家可能會說，這個黑洞看起來不如剛才藝術家想象得那麽好看。我想說的是，它雖然沒有藝術家想象得那麽絢爛，但是它卻是實實在在被我們拍到的。對于人類了解黑洞，了解宇宙演化，這是人類曆史上邁出的重要一步，非常大的一步，意義非凡。
剛才講到恒星會出生，也會死亡。恒星死亡的時候會抛射大量物質到星際空間中，這些物質又將會成爲下一代恒星形成的組成材料，這是一個循環往複的過程。
從這個角度來講，雖然恒星自身並不是永恒的，但是它卻生生不息，或許這就是另外一種永恒的存在。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公衆號（SELFtalks），轉載請注明公衆號出處，未經授權不得轉載。