恆星在主序期之後,圍繞它運行的行星會是怎樣的命運?

2020-12-06 優美生態環境保衛者

行星之所以能夠成為行星,必須要以一定的恆星作為中心,在恆星引力的束縛之下圍繞著它做周期性的運行。除非受到別的大質量行星撞擊、或者恆星突然消失這些機率非常小的事件影響,行星會成為漂移於宇宙空間中的流浪星球,直到重新找到新的家園。那麼,按照恆星正常的發展演化規律,當恆星死亡之後,圍繞它運行的那些行星的命運會怎麼樣呢?

恆星的整個生命歷程,一般可以分為醞釀期、主序期、膨脹期和坍縮期。恆星的醞釀期,是恆星內核發生核聚變之前,所必須進行的物質積累過程。原先瀰漫在宇宙空間中的星雲物質,在引力擾動的作用下,逐漸發生聚集和坍縮,在緩慢提升核心區質量的同時,星雲物質原先的重力勢能一部分轉化為內能,同時在不斷摩擦和碰撞下,核心的溫度也持續提升,另外,星雲物質本來所具有的角動量,也被聚集以後核心區以及「星環」所繼承,星雲空間中會呈現若干以一個質心為中心,不斷發展壯大且有眾多物質圍繞它旋轉的恆星胚胎。

當核心區的溫度和壓力達到一定程度以後,即溫度超過700萬攝氏度、壓力達到上千億個大氣壓,在這樣的環境下,內核中氫原子中的質子,就會有一定的機率突破原子核間庫侖力的排斥,鑽入另一個原子核中,與另外一個質子結合,形成氫的一種同位素-氘,從而開啟了質子-質子鏈式反應的序幕,最終由4個氫原子聚變為1個氦原子,同時釋放出中微子、伽馬光子和部分能量。

恆星的主序期即是從以上反應開始激發時算起的,由於恆星的核聚變是從內核開始的,所以最外層的氫元素一直保持著其原有狀態,不會激發出核聚變。在內核中,由於參與核聚變的輕物質會逐漸消耗,生成原子序數更大的新元素,當輕物質完全消耗以後,根據核心區溫度和壓力的不同,恆星的發展演化也會呈現出完全不同的狀態。當溫度和壓力非常大時,完全有能力支撐新生成元素繼續發生核聚變,那麼恆星在出現一定程度的坍縮之後,繼續通過更加劇烈的核聚變向外界釋放光和熱,從而生成更重的元素,所以在大質量恆星的內部,物質的分布呈現非常有規律的圈層結構,從外到內依次為氦、碳、氧等,一直到鐵為止。由於鐵的比結合能最高,要激發它進行核聚變,所需要輸入的能量要大於釋放的能量,所以核聚變的能量是虧損的,不可持續的,因此恆星內部的核聚變一旦產生了鐵元素,那麼就標誌著大質量恆星生命即將結束。

不同質量的恆星,其內核最終的核聚變產物會有所不同,比如質量較大的恆星,最終會形成鐵元素,而像太陽這樣的恆星,最終產物只能到達碳和氧,如果比太陽再小的恆星,可能只會進行到氦。對於質量不同的恆星,不但最終核聚變的產物不同,而且在主序期以後的發展演化路徑也不盡相同。主序期結束以後質量小於1.4倍太陽的恆星,最終會形成白矮星;大於1.4倍而小於3.2倍太陽質量的恆星,最終會坍縮成中子星;質量大於3.2倍太陽質量,可能會坍縮形成黑洞。

而恆星在形成白矮星、或中子星、或黑洞之前,都會經過一個體積明顯碰撞的階段,即紅巨星時期(大質量的恆星這段時間所形成的星體體積更大,稱之為紅超巨星時期)。恆星在這段時期以內,體積之所以會持續膨脹,有的甚至能達到原先的100多倍,主要是恆星在主序期剛結束時,由於內核不再有核聚變產生,外層物質向內的重力則明顯佔據上峰,恆星一開始會發生劇烈的坍縮現象,隨著擠壓強度的提升、撞擊摩擦的持續以及恆星物質重力勢能的轉化,核心區的溫度和壓力出現了明顯的攀升,另外大量外層較輕物質的加入,又重啟了核心區域更劇烈的核聚變反應,向外的輻射壓明顯提升,從而推動恆星物質迅速向外界擴散。在此過程中,距離恆星較近的行星和衛星,都逃脫不了被吞噬的命運。比如太陽,在30億年之後,就會經歷紅巨星階段,其邊緣將逐漸擴展到近地軌道,水星和金星直接消失,地球也會變成一個火球。

對於像太陽這樣的恆星,紅巨星階段之後,除了被拋灑出去的外層物質,其它物質便會發生劇烈的收縮,此後再也無法激發核聚變,僅靠電子簡併壓來支撐重力的坍縮,從而使最終形成的白矮星密度非常大,達到每立方釐米幾噸的級別。那些在紅巨星階段沒有被吞噬的行星,此時會繼續伴隨著白矮星運行。

對於大質量的恆星來說,其生命晚期會經歷超新星爆發這個階段,這種現象是宇宙中除了黑洞吞噬以外,感覺最為恐怖、能量釋放最為集中的一個過程了。在超新星爆發之時,恆星周圍所達到的溫度將高達幾千億攝氏度,所釋放的能量相當於恆星在主序期全部時間所釋放的能量總和,這種爆發,勢必會將恆星周圍原先圍繞著它運行的所有行星都分崩離析,這也是天文觀測中,在中子星和黑洞周圍,很難發現有圍繞它們運行行星的主要原因。

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