【科普】恒星系統的生和死,在一顆恒星的生命周期中會經歷什麼?

漫酱~ 2023/01/26 檢舉 我要評論

縱然宇宙處在時刻變化之中,但人類的求知欲望和探索能力也在與日俱增。雖然,在這個神秘而龐大的宇宙世界里,還有很多科學家們至今仍無法解答的疑惑。但也通過時間和偵探,對地球之外的世界有所了解,比如行星系統的生和死。行星和恒星是如何形成的?我們又是怎麼來到這里?以及在一顆恒星的生命周期中,會經歷什麼?當行星死亡之時,又會遭遇怎樣的境遇?

一顆星星的誕生需要多長時間

即將誕生的恒星和行星,都始于一團難以想象的「冷云」,它包含了能萌發全新世界的種子。氫氣和氦氣分子因為重力而減速,并聚集在一起;鐵、硅酸鹽和富含碳的材料混合形成了灰塵,當塵埃粒子旋入這些物質的中心結,會將一些氣體的能量傳送回太空,云會因此變得更冷。伴隨著更多的塵埃和氣體被吸入其中,云的「口袋」也變得更厚,此時,一個明亮的「熱球」正在它的中心開始逐漸形成,并且在這場重力和氣體、磁場的壓力對抗中,重力正在取得屬于自己的勝利。

當「嬰兒」時期的星星形成后,星系數十億顆恒星的引力拖拽,可能加速并震動了天然氣體,又或是兩個云的相互撞擊導致了某些氣體的聚結,那些變成扁平狀結構的向內螺旋的材料,就成為了吸積盤。當然,也可能是因為一顆巨大恒星的爆炸,才導致了形成的恒星云被強烈的物質風吹入,并造成了新生星星的死亡。在同一個過程中,很可能會發在同一個分子云中的幾十個、甚至是幾千個地方,用通俗的語言可以表達為:分子云就像地球云,雨滴就好比是星星,當來自這些云層的氣體坍塌碎裂之后,在0到10萬年的時間里,會形成大批的「嬰兒」星星,這也是為什麼星星經常會形成一個較大的群體。

在銀河系和其他大多數的星系中,最可能形成的恒星類型,大小是做不到自我維持的。紅矮星的質量是太陽質量的十三分之一到二分之一,代表了銀河系四分之三的恒星,因為其燃燒緩慢,所以它們的壽命將比現在的宇宙更長。相對更罕見的類太陽恒星數量,仍然占到星系的8%。一顆年輕的恒星被稱為「原恒星」,直到它可以通過氫聚變反應為自身供電。要成為一個真正的恒星,它必須自發地融合氫原子形成氦,以釋放出巨大的能量。穩定恒星核心,使其停止收縮的整個過程,可能需要大約4千萬年。而最終形成的是什麼樣的恒星?則取決于其可用的材料。

如何知道磁盤中有無行星形成

新生的恒星,可以從周圍旋轉的氣體和塵埃中獲取自己需要的養分,然后射出猛烈的磁性加速物質流,只要沒有另一個恒星系統和它足夠近,并發生相互作用,那麼在整個生命周期中,同樣的旋轉都可以保留在該系統中。在整個系統中,主要是由氫氣和氦氣組成,并且,氣體比氣體中的灰塵多100倍左右。塵埃,對于形成含有碳和鐵等元素的行星而言至關重要。當時間過去大約10萬年之后,云會開始變得稀薄,此時就可以顯示出兩種完全不同的結構。它們是新生恒星,以及蓬松的塵埃盤和彌散氣體。我們還可以通過螺旋和間隙,以判斷該磁盤中是否由行星形成。

從行星「嬰兒」時期一開始的螺旋形狀,到行星變大后在磁盤中劃出的差距,科學家們可以通過尋找磁盤中的特征,了解可能形成行星的地方。比如,ALMA所研究的神秘系統TW Hydrae。這個已知的距離最接近的恒星,仍然有一個距離它175光年的富含氣體的原行星盤;在過去幾年中,通過對HL Tau恒星的研究,也揭示了這個磁盤中的間隙,使它看起來像環,可能是「嬰兒」行星的足跡,當時的這一發現,也成了該領域的一次重大飛躍。

行星的形成不到磁盤質量的1%

在磁盤中較冷的地方,冰的微小碎片會附著上灰塵,骯臟的雪球可以聚集成巨大的行星核心。在這些較冷的區域,允許氣體分子減速到足以被吸引到行星上的程度。在更加溫暖的圓盤中,巖石行星在冰冷的恒星形成后形成 ,并且沒有大量的氣體供行星阻礙。科學家們曾捕獲了年輕行星PDS 70b的罕見圖像,其500萬年的歷史,僅占地球年齡的0.1%多一點,它比木星更大,并且仍然可以增長。在其圓盤上,通過引力形成了一個很大的間隙,比我們太陽系中任何行星的溫度高。

現在我們所看到的太陽系統,只是那些在初始過程中幸存下來的東西。在我們歷史的最初幾百萬年里,可能有早期的行星實際遷移并被太陽吸收。氣體的存在,有助于固體材料顆粒粘在一起。灰塵團從鵝卵石般大小,變成更大的巖石,在這個過程中有的分崩離析,但其的一部分卻堅持了下來。這些是行星的基石,有時也被稱為「星子」。「嬰兒之星」仍在拋出極熱的風,被質子和中性氦原子的帶正電粒子所控制。行星的形成不到磁盤質量的1%,而一旦行星形成,它們就不會一直停留在原地,并且,每個行星系統最終都會像進入中年。

在大約1-10億年的時間里安頓下來

如果將我們所在的太陽系生命周期比喻為人的一生,那麼現在的太陽系正當中年。在大約一億到十億年的時間里,行星會傾向于在它們的軌道上穩定下來,而恒星也不會爆發太多。但是,通過科學家們對太陽系外的行星的研究發現,以七個地球大小的巖石行星而聞名的一顆恒星TRAPPIST-1,形成于54億至98億年前的某個地方,大小為太陽的9%,是一顆極微弱的M矮星,但它比我們的太陽系更安全。并且,它的所有行星都非常靠近,位于水星軌道內。

在我們的太陽系中,已無法找到大小與木星相同或更大、軌道距離主星更近,并且經歷灼熱高溫的熱木星。但是,我們原本可能有一個被太陽吞噬的熱木星,但很多星球會在其他甚至更老的系統中幸存下來。比如,科學家預計年齡為55億年的HAT-P-65b和預估年齡為47億年的HAT-P-66b。在圍繞其他恒星的其他外來行星中,包括達到地球質量10倍的大型巖石行星 「超級地球」 ,以及被稱為「迷你海王星」的小型氣體行星。在我們太陽系的時代,現在看上去是相對平靜的,但隨著恒星逐漸變老,最終可能會消滅它的一些行星。

進入紅巨星階段時軌道將會擴展

從現在開始,大約60億年后,我們的太陽會進入紅巨星階段,核心逐漸耗盡燃料,隨著氫氣融合減緩,核心將再次收縮。越來越小的核心會加熱,然后啟動另一輪核反應,以將氦氣融入到較重的元素。較熱的核心使氫熔化在核心周圍材料的「殼」中,恒星深處產生的額外熱量,將導致其外層氣體膨脹。在強烈的陣陣爆發中,垂死的恒星拋出外層的物質,紅巨星階段的結束,通常也是恒星生命中相對更暴力的時期。

當紅巨星失去質量時,恒星在其行星上的引力會變得更弱,因此它們的軌道將會擴展,行星的軌道也可能變得不穩定。在我們自己的太陽系中,太陽會膨脹得太多,以至于它會融化、蒸發,并吞噬一些內部巖石行星,太陽將會甩掉大約一半的質量。由此,外行星的軌道也會向外漂移,并在此處沉降兩倍,當接近燃料燃燒壽命的終點,太陽將變得更加明亮,且變得更大,它的直徑會變得很大,以至于可以從幸存星球的表面填滿天空。那麼,太陽和星星會像火焰爆炸般的一樣死亡,還是會因為小小的嗚咽而崩潰?

燃料耗盡、氣體排出后的死亡和新生

當前紅巨星的核心耗盡了所有的燃料,并將所有的氣體排出之后,剩下的密集恒星煤渣被稱為白矮星。白矮星被認為是「死」了,因為它內部的原子不再融合,無法產生恒星能量,但為它太熱了,所以仍然呈現出「閃耀」的狀態,最終,它會冷卻并從視野中消失。宇宙中幾乎每顆恒星最終都會經歷,從紅巨星到白矮星的過渡。我們的太陽,將從現在開始的大約80億年后到來。盡管極低質量的恒星,需要比現在的宇宙時代更長的時間才能到達。當然,行星也可以出生在超新星。

如果一顆恒星非常巨大,它可能會沿著不同的路徑,擴展成一顆超巨星,并最終爆炸成超新星,來自超新星的沖擊波可以觸發新恒星的形成,在死亡之后創造新的生命。雖然,在超巨星周圍,到目前為止沒有發現有一天會爆炸的行星。但這并不意味著他們不在那里,雖然超巨星是非常罕見的,但它的耀眼程度遠遠超過任何軌道物體。超巨星包含多層不同種類的原子融合,能夠產生巨大的能量輸出,只是我們的技術可能還不夠先進,所以暫時無法找到它們的行星,超級巨星可能稍縱即逝,但他們的爆炸在這個事件中起著重要作用。

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