恆星誕生於星雲,那星雲又是從哪裡來的?

2020-12-03 星辰大海路上的種花家

大多數天文愛好者對深空天體的認識是從M31和M42開始的,當然我們知道M31就是著名的仙女座大星系,M42則是幾乎奪走了所有深空攝影黨第一次的獵戶座火鳥星雲!國家地理紀錄片《旅行到宇宙邊緣》對這個星雲有非常詳盡的介紹,得以讓我們知道了原來獵戶座星雲還是銀河系裡的恆星大工廠,我們也知道太陽也是誕生於一片以當前太陽係為中心的奧爾特雲,可以簡單地說,宇宙中所有天體都是星云為基礎開始演化的,但有一個問題可能吃瓜群眾一直到搞不清,這生出恆星這顆蛋的「母雞」—星雲從哪裡來的?

上圖是「失去了手臂」的獵戶座,官方名稱是短劍但同好都喜歡稱為「獵戶的JJ」位置就是M42所在!

畫面正中就是那隻著名的火鳥,鳥頭與翅膀清晰可辨。

關於星雲,現代天文理論認為其來源有兩個,一個是誕生於宇宙大暴漲的冷卻時代,另個則是恆星的生命周期末的天文事件,但其真正的源頭只有一個,即來自宇宙大爆炸!

一、宇宙大爆炸是怎麼誕生星雲的?

關於宇宙大爆炸的證據,在哈勃定律以及宇宙微波背景輻射(CMB)還有原初元素豐度等多個方面都有強有力的支持。根據廣義相對論對宇宙膨脹進行反推,就能得到宇宙曾經有一個階段處於緻密與高溫的狀態,我們並不能確定這個狀態保持了多久,因為在這個狀態下時間都尚未開始,但這個狀態在某個時刻發生膨脹!

10^-37秒時,發生了一種相變導致宇宙急速暴漲10^-36秒時,暴漲結束,但膨脹仍然繼續,此時宇宙中充滿夸克-膠子等離子體和其他所有基本粒子。此時溫度極高,所有粒子都處在隨機運動中。尚無法形成物質,某個時刻違反重子數守恆的反應發生,夸克和輕子數量上戰勝了反夸克和反輕子,這使得我們的宇宙中物質(正物質)佔了主導。當然粒子能量下降到10^12eV時產生了對稱破缺,粒子之間的基本作用力產生。10^-11秒時,此時已經到了高能粒子物理所能模擬的範圍10^-6秒時夸克和膠子在強作用力作用下結合成了質子和重子3分鐘之後,宇宙溫度降低到10億K左右,極少數質子與中子結合,形成了氫和氦以及極少量的鋰原子核(太初合成過程),而絕大多數質子則孤零零地等待著電子形成氫原子。37.9萬年後,宇宙溫度下降到可以讓電子和質子結合成氫原子(氫的同位素氕只有一個質子和一個電子)在此之後,通過與物質脫耦,光輻射在宇宙空間自由傳播,而這就是我們現在所說的CMB,也就是宇宙微波背景輻射(變成微波背景輻射是因為輻射的紅移效應)

至此宇宙中的物質誕生「工作」已經全部結束,宇宙中處處瀰漫著氫以及部分氦還有微量的鋰元素,此時大爆炸時代的光已經成為背景輻射,而恆星尚未誕生,宇宙進入黑暗時代

這個黑暗時代一直將持續上億年,瀰漫的星雲在金斯不穩定性條件下坍縮成原恆星,最終發出宇宙中第一縷光!現在已經組裝完畢的詹姆斯韋伯望遠鏡,未來的目標就是觀測到宇宙中的第一縷光。

二、恆星如何製造星雲?

並不是所有的恆星都能製造星雲,比如0.4⊙左右的紅矮星,因為這個質量的恆星從內到外有比較徹底的對流程,中心不會累積氦元素,還能將氫元素徹底耗盡,不會膨脹成紅巨星,整個生涯中除了恆星風和日冕層物質拋射,並不會大幅改變質量,這種恆星算是一毛不拔的吝嗇鬼。不過它的壽命超級長,甚至長達數萬億年!壽終將形成一顆氦白矮星。

0.5⊙-0.8⊙以上的恆星會部分製造星雲,因為內核輻射層處在外殼之間存在,因此仍然會存在部分紅巨星現象,但內核溫度並能燃燒氦,因此不會發生氦閃,最後形成白矮星,但有部分物質在紅巨星階段被拋棄成為星際物質。

0.8⊙-2.25⊙的恆星內核溫度不夠,但在氫元素消耗之輻射壓不能支撐外殼坍縮的高溫能點燃內核累積的氦元素,因此會氦閃,這種僅次於超新星的能量釋放會拋棄大量的高能物質。

7⊙-10⊙以內的恆星,並不會演化到鐵核坍縮,在紅巨星階段即由於膨脹外殼逐漸剝離,最終內核坍縮成各種「口味」的白矮星,比如碳氧白矮星,或者矽硫白矮星,能演化到哪個階段,主要取決於恆星的質量與內核能達到的溫度。

被剝離的外殼會成為漂亮的行星狀星雲,很多星雲通過民用口徑望遠鏡即可清晰分辨,比如著名的煙圈星雲M57,如果在10寸口徑下,煙圈清晰可見。

大都行星狀星雲的都比較接近圓形,或者大致圓形,因為它是比較溫和的條件下擴散的,能比較好保持擴散以前的形狀。

以上是銀河系內22個行星狀星雲外觀示意圖,基本都保持得比較好。

10⊙以上的大質量恆星大都會經過超新星階段,內核鐵核坍縮比如電子捕獲、成對不穩定、或是光致蛻變、超越錢德拉塞卡極限等都能導致核心坍縮,即形成超新星爆發!當恆星內核發展到鐵核時,內核不再產生能量,無法抵抗外殼重力坍縮,最終超越內核的兼併壓力突破錢德拉塞卡極限,然後達到氧聚變(多層洋蔥外殼的氧殼層)……最終鐵核心徹底崩潰導致超新星爆發。

40⊙以上的恆星並不會經過紅巨星階段而直接超新星爆發

150⊙-200⊙以上的恆星可能不會經過超新星爆發而直接坍縮成黑洞

超新星爆發中的SN1993J藝術圖,這些擴散的恆星物質未來將形成我們熟悉的星雲。

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