太阳的死亡前奏——向红巨星的演化

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      在《漂泊地球》中,太阳行将开端逝世倒计时,地球和人类面临着灭顶之灾,继而启动了逃离太阳系的方案。那么,当实际国际中的太阳死去时,咱们的地球真的有方法顺畅逃生吗?

      地理学家现已在超新星残骸——中子星周围找到了行星,在类太阳恒星尸身——白矮星周围找到了小行星分裂发作的尘土盘,还在流产的恒星——褐矮星周围找到了新行星正在构成的依据。在这些本来被以为不应该存在行星的恶劣环境中找到行星,不只标明行星构成进程比曩昔幻想的更坚强,并且暗示,在太阳逝世之时,咱们的地球还存有一线生机。

      

      太阳的逝世序幕——向红巨星的演化 | 图片来历:互动百科

      天空中最凄惨的人物莫过于白矮星(white dwarf)。它们并不遵照一般恒星的质量-亮度联系:虽然质量与太阳相仿,白矮星却是一切恒星中最暗淡无光的,并且正越变越暗。地理学家以为它们连恒星都不是,充其量只能算是恒星的“尸身”。每颗白矮星都从前像咱们的太阳相同,散发着相同亮堂的光辉。可是在那之后,它逐步耗尽燃料,步入了浮躁的逝世阵痛阶段:它的直径胀大 100 倍,亮度增强 10,000 倍,然后外部壳层被抛射出去,只留下一个地球巨细的发光残骸。在余下的无尽年月里,它将了无气愤,渐渐变暗,直至一团漆黑。

      但这个故事还不行凄惨,实际状况要愈加糟糕。咱们和搭档现已在银河系中发现了 10 多颗特别的白矮星,它们的周围环绕着小行星、彗星,乃至还有行星——简直就是整个太阳系的“墓地”翻版。这些恒星还“活着”的时分,每天都会在这些小天体的天空中升起,给它们送去光和热,加热土壤、搅起和风。但在这些恒星逝世时,它们会蒸腾、吞没、焚化内行星,只留下那些“寓居”在偏僻冰冷地带的天体。跟着时刻的消逝,白矮星还会撕碎并炸毁许多“幸存者”。这些历尽磨难的行星体系供给了一个时机,让咱们得以一窥 50 亿年后太阳逝世时,咱们的太阳系即将阅历的凄惨命运。

      地理学家曩昔一向置疑,太阳外的其他恒星周围或许存在行星。不过咱们其时幻想,应该会在十分相似于太阳的恒星周围,找到十分相似于太阳系的行星体系。可是,自从 15 年前相关发现开端大批呈现,状况马上变得明亮起来:太阳系外行星体系可以与太阳系彻底不同。榜首个比方是类太阳恒星(sunlike star)飞马座 51——它具有一颗质量比木星还大的行星,但主星与行星的间隔比水星公转轨迹半径还小。跟着地理仪器越来越活络,地理学家发现了愈加乖僻的比方。类太阳恒星 HD 40307 具有 3 颗行星,质量介于地球的 4~10 倍之间,全都在不到水星轨迹半径一半的间隔上环绕主星旋转。类太阳恒星巨蟹座 55A 具有至少 5 颗行星,质量介于地球的 10~1,000 倍之间,轨迹半径最短缺乏水星轨迹的 1/10,最长则与木星轨迹适当。就算是科幻小说里幻想的行星体系,也不或许如此多姿多彩。

      白矮星体系则标明,乃至行星体系的主星都不一定要相似于太阳。行星和小行星、彗星之类的小天体可以环绕着本身比行星大不了多少的天体旋转。这些行星体系的多样性一点点不亚于一般恒星周围的行星体系。地理学家没有料到行星体系居然会如此遍及,也没有料到它们会如此“坚强”,更没有料到行星构成进程看起来会如此“放之四海而皆准”。与咱们太阳系相似的行星体系,或许并不是世界中的行星乃至生命最常见的休息场所。

      凤凰涅盘

      虽然今日已被一些人淡忘,但榜首颗得到承认的太阳系外行星的确环绕着一颗与太阳彻底不同的恒星——中子星(neutron star)PSR 1257+12 旋转。中子星是一类比白矮星更极点的“恒星尸身”,比太阳质量还大的物质被压缩成小行星巨细,直径只要大约 20 千米。这种“怪物”是质量超越太阳 20 倍的恒星发作超新星爆破时诞生的,这一进程比类太阳恒星的逝世要剧烈得多,因而,很难幻想行星可以在这样的爆破中幸存下来。此外,这颗恒星爆破前的直径或许超越 1 个地理单位(astronomical unit,缩写为 AU,即太阳到地球的均匀间隔),而今日已知环绕它旋转的行星傍边,轨迹半径最大也不超越 1 个地理单位。出于上述两个理由,这些行星必定是在爆破后留下的灰烬中构成的。

      

      中子星 | 图片来历:Phys。org

      虽然超新星爆破一般会将大部分残骸抛入星际空间,但仍有少数物质会遭到引力捆绑,落回恒星残骸周围,构成一个旋转的物质盘——这些盘就是行星构成的温床。地理学家以为,太阳系就是一团弥散于星际空间的气体尘土云在本身引力效果下坍缩而构成的。角动量守恒使部分物质不会径直落向重生的太阳,而会在周围构成一个形如薄煎饼的物质盘。正是在这个盘中,尘土和气体凝集成了行星。超新星爆破后构成的下落物质盘中也或许发作着相似的进程。

      地理学家之所以在 PSR 1257+12 周围发现行星体系,是因为他们检测到了它宣布的射电脉冲计时信号中的周期性误差。这些误差发作的原因是,环绕这颗脉冲星旋转的行星推进它发作细微的周期性摇摆,然后改变了射电脉冲抵达地球所有必要传达的间隔。虽然观测地理学家对其他脉冲星进行了彻底查找,但迄今为止,还没有发现另一个与之相似的行星体系。另一颗脉冲星 PSR B1620-26 至少具有一颗行星,但它环绕脉冲星旋转的轨迹半径极短,以至于地理学家以为它不是在下落物质盘中构成的,而更有或许是从另一颗恒星那里经过引力抓获来的。

      可是,美国航空航天局(NASA)的斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope)于 2006 年发现,中子星 4U 0142+61 出其不意地发射着红外辐射。这种红外辐射或许发作于这颗中子星的磁层,也或许来自于环绕它旋转的星周盘(circumstellar disk)。这颗中子星构成于大约 10 万年前的一场超新星迸发,而行星凝集成形一般要花 100 万年左右的时刻,因而假如这种红外辐射的确是一个物质盘存在的信号,总有一天,它会构成一个相似于 PSR 1257+12 的行星体系。

      小行星甜点

      许多白矮星也有物质盘,但状况稍有不同:这些盘标明的确有天体环绕着白矮星旋转,而不只仅表明它有才干构成这些天体。和中子星 4U 0142+61 相同,头绪就是意想不到的红外辐射。榜首条头绪可以追溯到 1987 年,其时 NASA 的地上地理台之一、坐落夏威夷莫纳克亚山顶的红外望远镜发现,白矮星 G29-38 宣布的红外线亮度超越预期。过量红外线的光谱对应的物体温度为 1,200 K,远远低于白矮星的外表温度 12,000 K。

      地理学家开始以为,这颗白矮星必定具有一颗温度较低的伴星。但到了 1990 年,他们证明红外辐射的改变与白矮星本身的亮度改变坚持一致,阐明这种辐射是白矮星星光反射或许“再加工”的成果。最可信的解说就是,红外辐射来自于被这颗白矮星加热的星周盘。

      这颗白矮星还有另一个特性:它的最外层含有钙、铁之类的重元素。这一点十分乖僻,因为白矮星外表附近的引力场极强,足以使这些元素下沉到白矮星内部。2003 年,本文作者之一尤拉提出了一个简略的解说,可以一起阐明红外线的过量和重元素的存在:这颗白矮星新近分裂了一颗闯入它强壮引力场的小行星。一系列磕碰将小行星残骸磨碎,构成一个环绕白矮星旋转的尘土盘,缓慢但稳定地将尘土物质撒落到白矮星上。

      尔后的观测证明了这一理论。运用地上望远镜和斯皮策空间望远镜,地理学家现已辨认出大约 15 颗白矮星,具有相似的红外线过量和元素反常。在 G29-38 和其他 7 颗白矮星上,斯皮策望远镜还更进一步辨认出,红外辐射源自于尘土盘中的硅酸盐。这些硅酸盐与太阳系中的尘土粒子所含的硅酸盐十分相似,与星际空间中尘土所含的硅酸盐却天壤之别。此外,虽然这些白矮星的外部壳层含有重元素,但不同元素的含量各不相同。相对于一般坚持固态的元素(比方硅、铁和镁),挥发性元素(比方碳和钠)的含量显着缺乏。这种元素散布与太阳系中的小行星及岩质行星相符。一切这些观测现实都支撑这样一个定论:这些尘土盘是由被撕碎的小行星构成的。

      白矮星周围的这些尘土盘,要比新星恒星周围孕育出行星的星周盘小得多。依据尘土盘宣布的红外辐射判别,盘的直径大约只要 0.01 个地理单位,所含物质的质量也只适当于一颗直径 30 千米的小行星——这一现实与它们或许起源于小行星分裂的理论相符。这些尘土盘不是新行星潜在的孕育之地,而是行星物质可以在恒星逝世进程中幸存下来的明证。理论核算显现,假如小行星和类地行星的轨迹半径大于 1 个地理单位,它们就可以躲过这一浩劫。当咱们的太阳逝世的时分,火星应该可以死里逃生,但地球的命运就不好说了。

      为了研讨行星体系的不同部分怎么可以在恒星逝世的大灾难中“存活”,斯皮策望远镜两年前观测了白矮星 WD 2226-210。这颗白矮星十分年青,以至于逝世前的那颗类太阳恒星的外部壳层至今依然清晰可见。这些被抛射出去的物质构成了最着名的行星状星云之一——螺旋星云(Helix nebula)。

      观测成果标明,WD 2226-210 刚好供给了丢失的一环,将类太阳恒星与 G29-38 之类的晚年白矮星连接了起来。一个尘土盘在间隔这颗白矮星 100 个地理单位的当地环绕它旋转,这一标准与咱们的太阳系大致适当。这个盘的延伸规模比其他白矮星周围的尘土盘大得多——现实上因为它半径过大,不或许是由被白矮星引力破坏的小行星构成的。因而,这个盘必定由小行星和彗星磕碰时开释出来的尘土构成。相似的残骸盘也存在于太阳和其他类太阳恒星的周围。

      这一发现证明,当类太阳恒星逝世时,悠远的小行星和彗星可以幸存。假如小行星和彗星可以幸存,生命力不比它们差的行星应该也可以幸存下来。跟着 WD 2262-210 逐步冷却,它宣布的能照亮尘土的光将越来越少,悠远的小行星和彗星带将藏匿于漆黑之中,无法再被咱们看到。可是偶然,其间某颗小行星(或许彗星)会游荡到满足接近白矮星的当地,被它的引力撕碎,构成一个咱们在年迈白矮星周围看到过的尘土盘。

      流产恒星

      第三类具有行星又与太阳彻底不同的恒星是褐矮星(brown dwarf)。虽然姓名相似,但褐矮星与白矮星天壤之别。褐矮星并不是恒星“尸身”,而是“发育不良”的恒星。它们的构成进程与恒星相同,但“生长发育”遭到了阻止,质量还缺乏太阳的 8% ——只要超越这个质量下限,恒星中心才干满足火热、满足细密,点着可以继续发作的核聚变。因而,褐矮星无法保持核聚变,只能将它们构成进程中积累的热量(或许还有前期时间短核聚变发作的能量),经过弱小的红外辐射开释出去。曩昔 15 年来,地理巡天观测现已发现了数百颗褐矮星,其间质量最小的乃至还没有巨行星大。

      

      褐矮星 | 图片来历:Wikipedia

      地理学家现已发现,即便最小的褐矮星也可以具有尘土盘,因而有或许具有行星。观测数据显现,褐矮星的尘土盘阅历过一系列由尘土粒子凝集而发作的体系性改变,包括硅酸盐宣布的过量红外辐射在光谱中俄然呈现强度下降——这些数据支撑了褐矮星或许具有行星的观念。相同的改变在较大恒星周围的尘土盘中也呈现过,标志着行星“修建质料”正在构成。褐矮星尘土盘中包括的物质缺乏以构成木星巨细的巨行星,但构成天王星或海王星巨细的行星仍是满足的。一些地理学家宣称现已发现了在褐矮星周围构成的行星,但至今还没有任何一项发现得到证明。

      总归,地理学家现已在至少一颗中子星周围发现了多颗行星;在十几颗白矮星周围发现了小行星和彗星;还在褐矮星周围发现了行星构成前期阶段的依据。研讨这些太阳系外行星体系,终究有两个意图:

      榜首,地理学家期望可以进一步了解咱们地点的太阳系,特别是它的演化和大标准结构,这些特征很难从咱们时间短的终身和有限的空间视角中被察觉到。咱们还期望能了解太阳系的位置。它是一个一般的行星体系仍是一个特例?虽然行星体系千变万化,但它们在构成阶段是否阅历过一些相同的进程?太阳系中小行星的物质成分与掉入白矮星的物质十分相似,暗示这个问题的答案是必定的。

      第二个意图,是断定生命在世界中有多遍及。在咱们银河系中的附近区域里,褐矮星的数目简直与恒星适当。间隔太阳最近的“恒星”有或许是一颗尚未被发现的褐矮星吗?间隔太阳系最近的行星会不会环绕着一颗褐矮星工作?NASA 发射的大视场红外巡天探测器(Wide-field Infrared Survey Explorer,缩写为WISE),或许会发现比已知间隔最近的恒星更接近太阳的褐矮星。褐矮星周围类地行星的构成不只会拓宽潜在的生命休息地,并且还带来了这样一个激动人心的或许性:间隔咱们最近的地外生命,或许会在一颗褐矮星的照射下茁壮成长。

      与此相似,白矮星周围小行星和彗星的存在也预示,不只行星可以在类太阳恒星的逝世中幸存下来,就连生命或许也能在逝世恒星周围的偏僻地带得以连续——假如它们可以适应环境改变的话。或许,到了那个时分,白矮星就不会像现在看起来这样凄惨了。

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