恒星并不永恒,但是它却能“轮回转世”
2020-05-19 19:14

恒星并不永恒,但是它却能“轮回转世”

文章来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:张君波,题图来自:电影《流浪地球》


张君波

 中国科学院国家天文台助理研究员


2019年大年初一上映了一部非常精彩的科幻电影,叫《流浪地球》。


这部电影讲的是假设太阳演化到了红巨星阶段,在短短数百年内,它将发生氦闪,地球将面临危险。


于是,人类联合政府启动了“流浪地球计划”,计划将地球作为一艘宇宙飞船,带领地球生命驶离太阳系,飞向4.2光年外的最近的恒星——比邻星,在这个过程当中发生的一些故事。



什么是红巨星?什么是氦闪?



要解答这些问题,就要从天文学中非常重要的研究方向——恒星及演化理论中去寻找答案了。


恒星与宇宙


什么是恒星?



恒星是一种非常常见的天体,它是一颗凭借自身引力凝聚成的能自己发光的球体。


离我们最近的是哪个恒星?


最近的恒星就是我们熟悉的太阳。太阳的半径是70万公里,是地球半径的109倍,地球距离太阳1.5亿公里远。


宇宙中公认的最快速度是真空中的光速,光以大约每秒30万公里的速度,从太阳表面到地球也需要500秒的时间,大概8.3分钟。


如果大家走到户外,看到的太阳光其实是8.3分钟之前太阳发出的光。此时此刻,太阳发生的任何变化,我们需要再等上8.3分钟才可以看到,可见这个距离非常远。



太阳的体积是地球的130万倍。天文学家通过分析太阳的光谱得知,太阳的大气中,70%是氢,28%是氦,2%是重元素,其实太阳在银河系中是非常普通的一颗恒星,它不算大,甚至还有一点点小。


银河系长什么样?


我们不知道。苏轼在《题西林壁》里写到“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。由于我们生活在银河系,因此无法跳出银河系来给它拍一张照片,但是我们通过观测研究发现,银河系是一个漩涡星系,我们的邻居仙女座大星系正好也是一个漩涡星系。



银河系是一个明亮的河球,有银盘、银晕,于是天文学家根据观测,以及一些理论,再加上看到的一些漩涡星系,构想出了银河系大概的样子。



太阳在哪里?给大家圈出来了。银河系有河球、银盘、银晕,银盘上有很多悬臂。


银河系有多少颗像太阳一样的恒星?据统计,大概有2000亿颗~4000亿颗恒星。刚才给大家演示的仙女座大星系,无论从质量还是半径上来看都比银河系要大一倍,也就是说仙女座大星系至少要有4000亿颗恒星。


宇宙到底有多少颗恒星?可以初步估算一下,宇宙大约有上千亿个星系,每个星系大约有上千亿颗恒星,整个宇宙包含了大约10的22次方颗恒星,这个数量我们不知道有多大,只知道大概是这个数字。


大家有没有数过地球上的沙粒?它是数不尽的。有人做了统计,大概地球上会有10的18次方颗沙子,宇宙当中有10的22次方颗恒星,也就是宇宙中恒星的数目比地球上的沙粒还要多得多。宇宙这么大,似乎拿望远镜对向天空,就可以捞到大把的恒星。


恒星的诞生


大量研究发现,恒星跟人类一样有出生和死亡,恒星宝宝是怎么诞生的呢?


恒星宝宝实际上起源于一团气体云,气体云会存在分布不均匀的情况,密度比较大的区域存在引力,会吸引周围的气体,使自己的质量逐渐增大,然后形成一颗原恒星。


人和人之间根据牛顿万有引力定律有万有引力作用,那我们为什么感觉不到呢?因为质量太小了,如果质量大到一定程度,引力的作用就会非常明显。



刚才提到原恒星形成之后,就像滚雪球,越滚越大,原恒星的质量非常高,高到一定程度,恒星内部的温度、压强、密度都会非常高,高到能够将原恒星内部的氢点燃,发生核聚变,于是一颗恒星宝宝就这样诞生了。


宇宙中恒星的数目非常多,种类也很多,就拿最熟悉的太阳来讲解恒星的一生吧。


太阳宝宝诞生之后,意味着它的内部启动了氢核聚变,氢燃烧之后会进入一个非常稳定的阶段,叫主序阶段。


主序阶段是怎么达到稳定的呢?恒星内部不断燃烧氢,发生核聚变,氢发生核聚变会生成更重的氦,氦会沉积在恒星的内部。


在这个核聚变的过程中,恒星会辐射出大量的能量,能量会支撑恒星有一个向外膨胀的作用力。另外,由于恒星太阳的质量非常大,所以由于引力、重力的作用它会有相对收缩的力,两者达到平衡后,就形成一个稳定的阶段。


也就是说,现在的太阳就处在一个稳定燃烧的阶段,即主序阶段。据天文学家研究计算,太阳已经稳定燃烧了45亿年,而且还将继续稳定燃烧50亿年。



设想一下,总有一天太阳内部的氢会耗尽,那一天会怎么样?如果恒星内部的氢燃烧完了并生成了氦,这时的氦暂时无法点燃,会占据恒星内部,而氢就会跑到恒星的外部,燃烧就从恒星内部转移到恒星外部,这就打破了原有的平衡。


于是太阳就会向外扩张,扩张成一个又大又红又亮的恒星。这个阶段就称为红巨星阶段。


红巨星的半径非常大,对于太阳来说,当它演化到晚期红巨星阶段时,它的半径会漫过水星、金星的轨道,甚至到达地球的附近,太阳能量如此巨大,温度还非常高,地球早就不复存在了。


什么是氦闪?


氦闪实际是发生在恒星演化到红巨星晚期的时候,由于恒星在中期时积累了很高的温度,在中心部分将氦点燃了,氦点燃之后燃烧非常快,短短数秒钟之内就能够释放出大量的能量。


在《流浪地球》小说原著中描述的氦闪过程非常震撼,但实际上氦闪的过程是发生在恒星内部的,我们是看不到那样震撼的场面。


《流浪地球》说人类为了避免氦闪才开始了逃亡计划,这个不太准确,实际上在太阳演化成红巨星之前,就应该做好逃亡的准备。如果等到氦闪的时候才逃亡,地球已经被红巨星给吞没了。



另外,刚才提到太阳还将稳定燃烧50亿年,其实我们并不需要太过担心太阳老了之后会造成地球毁灭。我们反而更应该担心,由于人类自己缺乏保护地球生态环境的意识而毁灭了地球。


比如,我们不注意碳的排放量,全球温度升高,造成冰山融化,可能在太阳引起地球变化之前,地球就因为人类种种的活动而毁灭了,所以保护地球还是最首要的任务。


恒星的死亡


恒星真的永恒吗?


恒星不是永恒的,它会死亡。对于太阳这样的恒星,当它演化到红巨星阶段时,就意味着它濒临死亡了。


天文学家通过分析发现,恒星确实是有寿命的,而且它的寿命跟它的质量有很大关系,对于一颗跟太阳质量差不多的恒星,它的寿命大概是百亿年量级,太阳现在的年龄大约是45亿年,老去至少还要50亿年。



对于质量大的恒星,如果是40个太阳质量的恒星,它的寿命仅仅是300万年。对于质量小的,比如只有0.2个太阳质量的恒星,它们的寿命将是2500亿年。


恒星的质量不光决定了它的寿命,另外,不同质量的恒星颜色也不一样。大质量的恒星通常会发偏蓝白的光,小质量的恒星发出来的光偏红。


我们还注意到,恒星不同的颜色温度就不同,蓝白的光温度比较高,质量小一点的,发红光的恒星温度相对较低。


天文学家根据类似太阳的恒星光谱能量分布,将恒星分成很多不同的光谱星。我的主要研究方向就是像太阳一样的晚型的恒星。


刚才提到恒星的质量决定了恒星的演化情况、恒星的状态。另外,恒星的质量还决定了恒星最终死亡后的产物是什么,也就是恒星最终的归宿。


对于中小质量恒星,比如小于8个太阳质量的恒星,它们演化到晚期的时候会形成一颗红巨星,之后会将周围的物质抛洒出来,只留下中心一颗体积很小,密度很高的星体球体,就是白矮星。



对于大质量恒星,它们演化到晚期会形成红超巨星,并且发生超新星爆炸,爆炸之后,留下了中心非常小的核。


如果它原来的质量大于8个太阳质量,小于20个太阳质量,这个核就会变成中子星。


如果大于20个太阳质量,超级星爆炸后,中心会留下一个黑洞。


如果有机会从白矮星上抠下来篮球大小的一块物质,放在天秤的一端,要想让天秤保持平衡,天秤的另一端就需要放一艘航海巨轮,可见这个白矮星的密度之高。


假如我们有一双手,可以伸到黑洞里去挖下来一个玻璃球这么大的小球,它的质量也会等于地球。


刚才提到我的主要研究方向是晚型恒星,研究的方法就是用天文望远镜拍摄恒星的光谱,这些就是恒星的光谱,这个光谱大家看了可能有一点密集恐惧症,但是我敢保证,这个光谱已经是我看到的最好的太阳光谱了。



通过分析太阳光谱,包括恒星光谱,我们可以得到恒星的参数,包括这颗恒星的表面温度、重力、金属含量,还可以结合演化曲线得到恒星的质量、年龄、速度等等。



有了这些信息,我们可以研究很多恒星的理论。另外,我们还可以通过分析恒星光谱来获得恒星各种元素的组成成分,从而研究恒星以及星系的形成和演化。


平时的观测要利用国内、国外的大型望远镜。非常幸运的是,我在我们国家天文台兴隆观测站工作,这也是亚洲大陆最大的光学天文观测基地,它拥有口径超过50厘米的科研级望远镜9台。



我主要用其中两台比较大的望远镜,它们是观测基地最大的两台,也是目前我们国家已经建成的口径排名第一和第三的光学天文望远镜——郭守敬望远镜和2.16米望远镜。



在夜晚的基地上空,我们能够看到非常灿烂的星空,时间合适,就可以看到这样绚烂的银河。



恒星的摇篮和坟墓


如果仔细去看,我们可以看到天上的星星分很多种,而且颜色是不一样的,还会看到一个非常明显的星座,那是冬季最为耀眼的星座——猎户座。旁边的这幅图展示的是依据希腊神话想象出来的一个猎人的形象。



上面两颗星是猎人的肩膀,下面两颗星是猎人的两条腿,中间的两颗星是猎人的腰带,下面一束是猎人的佩剑,左上角的那颗星看起来和其他的星不一样,有点发黄、发红,而且个头比较大。


观测发现,这颗星是一颗红超巨星,质量大约是太阳的十几倍,我们估算它有可能已经发生了超级星爆炸,但是现在暂时看不到,因为它距离我们大约有1500光年,也就是说,我们想看到它爆炸之后的景象,要等上1500年。


下面模模糊糊的一束就是猎人的佩剑,如果在山上拿一个十厘米口径的小的科普望远镜,后面接一个单反相机,就可以拍到这样的景象。



这就是著名的猎户座大星云,这个星云的中间区域有很多明亮的部分,这些部分就是恒星宝宝成团诞生的区域,也叫恒星形成区,也就是说猎户座大星云是恒星宝宝诞生的摇篮。


天空中有很多漂亮的星云,刚才说到恒星诞生的摇篮,现在我们再来说一下恒星死亡的坟墓。


这颗星是一颗红超巨星发生了超级星爆炸之后留下的遗迹,非常著名的蟹状星云。



这个是窝状星云,它的质量明显没有刚才那颗恒星的质量大,因此爆炸得没有那么严重,还是比较整齐的,中心有一个小白点,这就是留下的一个中心致密的核。



这个星云是猫眼星云,很多天文学家研究它,因为它是一颗质量为太阳大小的恒星在死亡的时候留下的景象。从这张照片当中,我们似乎可以看到太阳在死亡的时候会是一个什么样的景象,而且也基本能够感受到这颗恒星在死亡前的挣扎。



质量大于20个太阳质量的恒星死亡后会形成黑洞。


2019年之前,天文学家并不知道黑洞真正长什么样,因为黑洞的质量太大了,引力非常强,强到即使是光以那么大的速度都逃不出来,所以我们说它黑也是因为光跑不出来,我们看不到它。



但是,由于黑洞的周围会存在强引力场,黑洞周围的气体会形成一个吸积盘,有些时候会有一些喷流,所以有时候我们可以观测到这些明亮的部分。


于是我们根据观测到的部分想象黑洞原来的样子。直到2019年4月10号,我们终于获得了人类历史上第一张黑洞照片,这张照片由全球200多位天文学家利用8台亚毫米波设计望远镜组成的巨大望远镜阵,对M87这个椭圆星系中心拍摄拍到的。



大家可能会说,这个黑洞看起来不如刚才艺术家想象得那么好看。我想说的是,它虽然没有艺术家想象得那么绚烂,但是它却是实实在在被我们拍到的。对于人类了解黑洞,了解宇宙演化,这是人类历史上迈出的重要一步,非常大的一步,意义非凡。



刚才讲到恒星会出生,也会死亡。恒星死亡的时候会抛射大量物质到星际空间中,这些物质又将会成为下一代恒星形成的组成材料,这是一个循环往复的过程。



从这个角度来讲,虽然恒星自身并不是永恒的,但是它却生生不息,或许这就是另外一种永恒的存在。


文章来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:张君波

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
正在改变与想要改变世界的人,都在 虎嗅APP
赞赏
关闭赞赏 开启赞赏

支持一下   修改

确定

相关推荐