互动科普

体积若减小，旋转加快

1967年，英国天文学家安东尼·休伊什（1924〜）及合作者发现宇宙深处的一种奇怪的天体。那种天体以1秒多一点的周期非常有规律地一亮一灭（发出脉冲），简直就像是外星人发出的信号。

这种天体被取名为“脉冲星”，然而当时并不知道它究竟是怎样的一种天体。接着，有人提出一种猜测，认为那是一种作快速自转的天体，只有当它朝着某一个特定方向发出的光随着旋转恰好射向地球时才能够被我们观测到。这就是我们看到它一亮一灭的原因。

不过，按照这种解释，脉冲星的旋转速度实在是太快了。要知道，像太阳这样的恒星的自转速度（大致是一个月自转一周）是非常缓慢的。自转速度过快，恒星在巨大离心力的作用下会被撕裂，而不可能保持为一个整体。

解开这个谜团的钥匙是“角动量守恒定律”。按照这条定律，“旋转物体若收缩变小（旋转半径减小），它的旋转速度将会加快”。这就是说，一个天体可以由于收缩变小而增加自转速度。原来，休伊什发现的那颗脉冲星是一颗“中子星”，那是一颗大质量恒星在其生命结束时中心部分发生剧烈收缩后留存下来的一种小天体。中子星具有强大的引力，即使作高速旋转也足够抵抗离心力而不致瓦解。

花样滑冰选手作高速旋转动作便自觉地利用了角动量守恒定律。她把伸出的手臂收回，或者卷曲在胸前，或者高举在头顶，用这种姿势来减小旋转体半径，使自己的体重（质量）集中起来靠近自转轴。这里的道理同中子星作高速旋转相同。无论在滑冰场上还是在宇宙中，角动量守恒定律都同样成立。

图. 遵循花样滑冰选手所利用的同样定律形成了作高速旋转的星体

具有8〜25倍太阳质量的恒星在燃料耗尽以后会遗留下一颗作高速自转的中子星。质量大、体积也大的恒星在燃料耗尽时，它的中心部分在自身引力的作用下会急剧收缩，变成一个聚集了铁元素的中心核。中心核继续收缩，再变成一种在铁层的内部包裹着一个完全由中子构成的“芯”的结构。这就是中子星。中子星的半径非常小，通常只有10公里左右，却具有大致与太阳相同的质量。如此多的质量全部集中靠近自转轴，因而自转速度非常大，旋转一周的时间只有几秒。

不过，在形成中子星的过程中会有角动量从中心部分转移到外层，导致外层爆发而被吹散，从而失去一部分角动量。所以，在这个过程中，严格说来，角动量并不是不变的。

蓝色星温度高，红色星温度低

在冬季夜空中的那些明亮的一等星中有一颗特别醒目的全天最亮的恒星，那就是位于大犬座里的天狼星。天狼星发出蓝白色的光，它同小犬座里的黄色一等星南河三和猎户座里的红色一等星参宿四连接成一个三角形，这就是著名的“冬季大三角”。

这三颗恒星都是一等星，它们之中哪一颗最热，温度最高呢？天狼星呈蓝白色，容易想到它大概最冷。错了，蓝白色的天狼星其实最热，它的表面温度达到了约10000℃。接下来是南河三，约6200℃（同太阳大致相同）；参宿四温度最低，约3300℃。

知道了这个结果，马上又会产生一个疑问。我们显然不可能用温度计去测量距离地球如此遥远的恒星的温度，那么，科学家是怎样知道恒星的温度的呢？

原来，恒星的“颜色”向科学家提供了线索。德国物理学家威廉·维恩（1864〜1928）想到，像熔融的铁块那样的高温物体虽然无法用普通的温度计测量它们的温度，但是，也许可以根据它们的颜色来确定温度。维恩经过反复的观察和研究，终于发现了将物体的温度和它所发出的光的波长联系起来的一条定律：“物体的温度与它发出的强度最大的光的波长成反比”。这就是“维恩位移定律”。

按照这条定律，物体发出的强度最大的光的波长越短（看起来偏蓝白色），它的表面温度越高；强度最大的光的波长越长（看起来偏红色），它的表面温度越低。这意味着，根据恒星的颜色可以通过计算求出它的表面温度。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）