太陽「死亡」後會發生什麼事情?太陽系的終極命運

2021-01-15 老胡說科學

來自我們太陽的太陽耀斑,將物質從我們的母恆星射出太陽系,與核聚變造成的「質量損失」相比相形見絀,這使得太陽的質量減少了總重量的0.03%。價值:相當於土星質量的損失。E = mc ^ 2,當你想到它時,展示了它的精力充沛,因為土星的質量乘以光速(一個大的常數)的平方導致產生巨大的能量。我們的太陽還有大約58億年的時間將氫氣融合成氦氣,但在此之後還有更多的事情要發生。宇宙中最深刻的規則之一就是沒有什麼是永恆的。由於引力、電磁力和核力都作用於物質,我們今天所觀察到的幾乎所有存在的東西在未來都將面臨變化。即使是那些在宇宙中轉化核燃料的最龐大的恆星,有一天也會全部燃燒殆盡,包括我們的太陽。

但這並不意味著恆星的死亡——當恆星耗盡核燃料時——實際上是像我們的太陽這樣的恆星的終結。恰恰相反,對於所有的恆星來說,一旦它們第一個,也是最明顯的死亡,就會有很多有趣的事情等著它們。雖然我們的太陽的燃料確實是有限的,我們完全預計它會經歷一次「典型的」恆星死亡,但這次死亡並不是終結。不是為了我們的太陽,也不是為了任何類似太陽的恆星。接下來是。

(現代)摩根-基南光譜分類系統,上面顯示了每個恆星類別的溫度範圍,單位為開爾文。我們的太陽是一顆g級恆星,產生的光的有效溫度約為5800 K,這是人類在白天很好的適應。大多數的恆星明亮,更熱更藍,但你只需要大約8%太陽質量的氫到氦聚變開始,這是達到x6.9級紅矮星也可以做到,只要他們實現關鍵核心溫度高於400萬K。為了被認為是一顆真正的恆星,而不是一顆失敗的恆星(如褐矮星)或一些屍體(如白矮星或中子星),你必須能夠將氫聚變成氦。當一團氣體坍縮成可能形成一顆新恆星時,它在彌散狀態下有很多重力勢能,當它坍縮時,重力勢能轉化為動能(熱能)。這種坍縮使物質升溫,如果它變得足夠熱,密度足夠大,核聚變就會開始。

經過許多代學習明星,包括他們做得不形式,我們現在知道他們必須達成內部溫度約400萬K開始氫聚變成氦,這至少需要~太陽質量的8%,或約70倍木星質量。至少有這麼大的質量是成為恆星的最低要求。

這張剖面圖展示了太陽表面和內部的不同區域,包括核聚變發生的核心。隨著時間的推移,內核中含氦區域擴大,最高溫度升高,導致太陽能量輸出增加。當我們的太陽耗盡核心的氫燃料時,它會收縮並升溫到足夠的程度,氦就會開始聚變。

一旦質量/溫度閾值越過,恆星開始將氫聚變成氦,並將遭遇三種不同的命運之一。這些命運完全由恆星的質量決定,而恆星的質量又決定了核心將達到的最高溫度。所有的恆星都開始將氫聚變成氦,但接下來發生的是與溫度有關的。特別是:

如果你的恆星質量太低,它只會把氫聚變成氦,而且永遠不會熱到足以把氦聚變成碳。純氦構成是所有m級(紅矮星)恆星的命運,它們的質量低於太陽質量的40%。這描述了宇宙中大多數恆星的數量。如果你的恆星像太陽一樣,當核心耗盡氫時,它會收縮到更高的溫度,當恆星膨脹成一顆紅巨星時,氦開始聚變(變成碳)。它的末端將由碳和氧組成,較輕的(外層)氫和氦層被吹走。這發生在所有質量在太陽質量40%到800%之間的恆星上。如果你的恆星的質量是太陽的8倍以上,它不僅會將氫聚變成氦,氦聚變成碳,還會在稍後引發碳聚變,導致氧聚變,矽聚變,最終,超新星爆發導致壯觀的死亡。

當大多數大質量恆星死亡時,它們的外層富含核聚變和中子俘獲所產生的重元素,被吹到星際介質中,在那裡它們可以幫助未來的恆星,為它們提供巖石行星的原始成分,甚至可能是生命。我們的太陽需要大約8倍的質量才能達到這個目標,這是完全不可能的。這些是最傳統的恆星命運,也是迄今為止最常見的三種。質量大到足以成為超新星的恆星非常罕見:所有恆星中只有0.1-0.2%的恆星有這麼大的質量,它們會留下中子星或黑洞的殘骸。

質量最低的恆星是宇宙中最常見的恆星,佔所有恆星的75-80%,也是壽命最長的恆星。在我們138億年的宇宙中,壽命從1500億年到100多萬億年不等,沒有一個耗盡了燃料。當它們形成時,它們將形成完全由氦構成的白矮星。

但是,類太陽恆星(約佔所有恆星的四分之一)在其核心耗盡氦時,會經歷一個迷人的死亡周期。它們在一個壯觀但緩慢的死亡過程中轉變成行星狀星雲/白矮星雙星。

行星狀星雲NGC 6369的藍綠色環標誌著高能紫外線從氣體中的氧原子中剝離電子的位置。我們的太陽,作為一顆繞著恆星慢端旋轉的單一恆星,很有可能在大約70億年之後以類似於這個星雲的形式結束。在紅巨星階段,水星和金星肯定會被太陽吞沒,而地球可能會也可能不會,這取決於某些尚未完全確定的過程。海王星外的冰世界很可能會融化和升華,而且不太可能在我們的恆星死亡後倖存下來。

一旦太陽的外層回到星際介質中,剩下的就只有幾具燒焦的屍體,它們圍繞著我們太陽的白矮星殘骸運行。核心,主要由碳和氧組成,將佔我們現在太陽質量的50%左右,但只有地球的物理大小。

當質量較低的類太陽恆星耗盡燃料時,它們會在行星狀星雲中爆炸掉外層,但中心收縮形成一顆白矮星,這需要很長時間才會消失在黑暗中。太陽產生的行星狀星雲應該會完全消失,在大約95億年之後,只剩下白矮星和我們的剩餘行星。有時,物體會被潮汐撕裂,給我們太陽系的剩餘部分添加灰塵環,但它們是短暫的。這顆白矮星將在很長一段時間內保持高溫。熱量是被困在任何物體內部的能量,但只能通過它的表面輻射出去。想像一下,在向我們的太陽這樣的恆星中吸收一半的能量,然後把這些能量壓縮成一個更小的體積。會發生什麼呢?

它會變熱。如果你把氣體放在一個汽缸裡,並迅速壓縮它,它就會升溫:這就是內燃機活塞的工作原理。產生白矮星的紅巨星實際上比矮星本身要冷得多。在收縮階段,溫度從3000 K(紅巨星)上升到20000 K(白矮星)。這種類型的加熱是由於絕熱壓縮,並解釋了為什麼這些矮星如此熱。

當我們的太陽耗盡燃料時,它將變成一顆紅巨星,接著是一個行星狀星雲,中心有一顆白矮星。貓眼星雲是這一潛在命運的一個視覺壯觀的例子,其複雜的、分層的、不對稱的形狀暗示著一個雙星伴星。在中心,一顆年輕的白矮星在收縮過程中不斷升溫,溫度達到了比產生它的紅巨星高數萬開爾文的水平。但是現在,它必須冷卻下來,它只能通過它的小的,很小的,地球大小的表面輻射出去。如果你現在形成一顆白矮星,在2萬千米的高度,給它138億年的時間來冷卻(目前宇宙的年齡),它會冷卻多達40k: 19960千米。

如果我們想讓太陽冷卻到看不見的程度,我們還有很長一段時間要等。然而,一旦我們的太陽耗盡了燃料,宇宙將很高興地提供充足的時間。當然,本星系群中的所有星系都會合併在一起;由於暗能量,所有的星系都會加速遠離;恆星的形成將放緩到涓涓細流,質量最低的紅矮星將耗盡它們的燃料。儘管如此,我們的白矮星將繼續冷卻。

一顆白矮星(L)、地球反射太陽光線(中)和一顆黑矮星(R)的精確大小/顏色對比。當白矮星最終放射出它們最後的能量時,它們最終都會變成黑矮星。然而,白矮星/黑矮星內電子之間的簡併壓力總是足夠大的,只要它不積累太多的質量,就可以防止它進一步坍縮。這是太陽經過10^15年後的命運。最終,在100萬億到1千萬億年(1014年到1015年)過去之後,我們的太陽將變成的白矮星將從光譜中可見的部分消失,並冷卻到絕對零度以上幾度。現在我們知道它是一顆黑矮星,這個由碳和氧組成的球在太空中會快速地穿過我們星系的任何部分,還有超過一萬億顆其他恆星和我們所在星系遺留下來的恆星屍體。

但這也不是太陽真正的終結。有三種可能的命運等待著它,取決於我們有多幸運(或多不幸)。

當恆星系統之間發生大量的引力相互作用時,一顆恆星就會受到足夠大的推力,從而從它所屬的任何結構中被拋出。即使在今天,我們也能在銀河系中觀測到失控的恆星;一旦他們走了,就再也不會回來了。據估計,這將在10^17到10^19年間發生在我們的太陽上,這取決於我們所在星系中恆星屍體的密度。

1)。完全不走運。銀河系中大約有一半的恆星屍體——在大多數星系中——來自於單線態恆星系統,就像我們的太陽一樣。雖然多恆星系統很常見,大約50%的已知恆星位於雙星或三進位(甚至更豐富的)系統中,但我們的太陽是我們太陽系中唯一的恆星。

這對未來非常重要,因為它使得我們的太陽不太可能與一個伴星合併,或者吞下一個伴星,或者被另一個伴星吞下。如果我們與另一顆恆星或恆星屍體合併,我們將會冒著巨大的風險。假設我們運氣不好,我們的太陽的屍體在未來會看到無數的引力與其他質量的相互作用,這應該會在我們的太陽系剩下的部分在大約10^17年到1019年後被逐出星系時達到頂峰。

兩種不同的方式做一個Ia型超新星:吸積場景(左)和合併場景(R)。沒有一個二進位的同伴,太陽永遠不會去超新星通過吸積物質,但我們可能會合併與另一個白矮星的星系,這可能導致我們振興Ia型超新星爆炸。2)。很幸運能重振雄風。你可能會認為,有充分的理由,一旦我們太陽的白矮星冷卻下來,它就再也不可能發光了。但是,我們的太陽有很多方式來獲得新生,並再次發出它自己強大的輻射。要做到這一點,它所需要的只是一個新的物質來源。如果,即使在遙遠的未來,我們的太陽:

與紅矮星或褐矮星合併,從分子雲或氣態行星聚集氫氣,或者撞上另一具恆星屍體它可以再次點燃核聚變。第一種情況將導致至少數百萬年的氫燃燒;第二顆將導致一場被稱為新星的核聚變爆炸;後者將導致失控的超新星爆炸,摧毀兩顆恆星的屍體。如果我們在被驅逐之前經歷過這樣的事件,那麼我們的宇宙幸運將會被展示給我們星系中剩下的每一個人去見證。

這張x射線(藍色)、射電(粉色)和光學(黃色)的合成圖顯示了恆星GK Persei的新星,這是我們使用當代最好的望遠鏡所能看到的一個很好的例子。當一顆白矮星吸收了足夠多的物質,核聚變就會在它的表面出現尖峰,產生一種暫時的明亮耀斑,被稱為新星。如果我們太陽的屍體與氣體雲或氫氣團(如胭脂氣體巨行星)相撞,即使在變成一顆黑矮星後,它也可能成為新星。3)。超級幸運,我們會被黑洞吞噬。在我們星系的外圍,離佔據我們星系中心的超大質量黑洞大約25000光年,只有由單個恆星形成的小黑洞存在。它們的橫截面積是宇宙中所有大型物體中最小的。就星系目標而言,這些恆星質量的黑洞是最難擊中的物體之一。

但偶爾,它們也會被擊中。當小黑洞遇到物質時,它們會加速並將其引導到一個吸積流中,在那裡,部分物質被吞噬並增加到黑洞的質量,但大多數物質會以噴流和其他碎片的形式噴射出去。這些活躍的低質量黑洞在爆發時被稱為微類星體,它們是非常真實的現象。

雖然這種情況發生在我們身上的可能性極低,但總有人中了宇宙彩票,而那些中了彩票的人將成為黑洞的食物,作為他們最後的行動。

當一顆恆星或恆星屍體經過離黑洞太近的地方時,來自這一集中質量的潮汐力就能把它撕成碎片,從而完全摧毀它。雖然一小部分物質會被黑洞吞噬,但大部分物質會加速並被彈回太空。幾乎宇宙中的每一個物體都有很大的可能性在遙遠的將來會發生什麼,考慮到我們這個宇宙角落的混亂環境,很難確定一個物體的命運。但通過了解我們所擁有的物體背後的物理原理,了解每種類型物體的概率和時間尺度,我們就能更好地估計出任何人的命運應該是什麼樣的。

對於我們的太陽來說,我們將在不到100億年的時間裡變成一顆白矮星,在大約10^14-10^15年之後會變成一顆黑矮星,在10^17-10^19年之後會被逐出星系。至少,這是最可能的路徑。但是合併,氣體積累,碰撞,甚至被吞噬都是可能的,它們會發生在某人身上,即使可能不是我們。我們的未來也許還沒有被書寫出來,但我們應該明智地把賭注押在一個光明的未來數萬億年內!

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