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SM色彩文 _恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

作者:文/虞子期

纵然宇宙处在时刻变化之中,但人类的求知欲望和探索能力也在与日俱增。虽然,在这个神秘而庞大的宇宙世界里,还有很多科学家们至今仍无法解答的疑惑。但也通过时间和侦探,对地球之外的世界有所了解,比如行星系统的生和死。行星和恒星是如何形成的?我们又是怎么来到这里?以及在一颗恒星的生命周期中,会经历什么?当行星死亡之时,又会遭遇怎样的境遇?

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

一颗星星的诞生需要多长时间

即将诞生的恒星和行星,都始于一团难以想象的“冷云”,它包含了能萌发全新世界的种子。氢气和氦气分子因为重力而减速,并聚集在一起;铁、硅酸盐和富含碳的材料混合形成了灰尘,当尘埃粒子旋入这些物质的中心结,会将一些气体的能量传送回太空,云会因此变得更冷。伴随着更多的尘埃和气体被吸入其中,云的“口袋”也变得更厚,此时,一个明亮的“热球”正在它的中心开始逐渐形成,并且在这场重力和气体、磁场的压力对抗中,重力正在取得属于自己的胜利。

当“婴儿”时期的星星形成后,星系数十亿颗恒星的引力拖拽,可能加速并震动了天然气体,又或是两个云的相互撞击导致了某些气体的聚结,那些变成扁平状结构的向内螺旋的材料,就成为了吸积盘。当然,也可能是因为一颗巨大恒星的爆炸,才导致了形成的恒星云被强烈的物质风吹入,并造成了新生星星的死亡。在同一个过程中,很可能会发在同一个分子云中的几十个、甚至是几千个地方,用通俗的语言可以表达为:分子云就像地球云,雨滴就好比是星星,当来自这些云层的气体坍塌碎裂之后,在0到10万年的时间里,会形成大批的“婴儿”星星,这也是为什么星星经常会形成一个较大的群体。

在银河系和其他大多数的星系中,最可能形成的恒星类型,大小是做不到自我维持的。红矮星的质量是太阳质量的十三分之一到二分之一,代表了银河系四分之三的恒星,因为其燃烧缓慢,所以它们的寿命将比现在的宇宙更长。相对更罕见的类太阳恒星数量,仍然占到星系的8%。一颗年轻的恒星被称为“原恒星”,直到它可以通过氢聚变反应为自身供电。要成为一个真正的恒星,它必须自发地融合氢原子形成氦,以释放出巨大的能量。稳定恒星核心,使其停止收缩的整个过程,可能需要大约4千万年。而最终形成的是什么样的恒星?则取决于其可用的材料。

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

如何知道磁盘中有无行星形成

新生的恒星,可以从周围旋转的气体和尘埃中获取自己需要的养分,然后射出猛烈的磁性加速物质流,只要没有另一个恒星系统和它足够近,并发生相互作用,那么在整个生命周期中,同样的旋转都可以保留在该系统中。在整个系统中,主要是由氢气和氦气组成,并且,气体比气体中的灰尘多100倍左右。尘埃,对于形成含有碳和铁等元素的行星而言至关重要。当时间过去大约10万年之后,云会开始变得稀薄,此时就可以显示出两种完全不同的结构。它们是新生恒星,以及蓬松的尘埃盘和弥散气体。我们还可以通过螺旋和间隙,以判断该磁盘中是否由行星形成。

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

从行星“婴儿”时期一开始的螺旋形状,到行星变大后在磁盘中划出的差距,科学家们可以通过寻找磁盘中的特征,了解可能形成行星的地方。比如,ALMA所研究的神秘系统TW Hydrae。这个已知的距离最接近的恒星,仍然有一个距离它175光年的富含气体的原行星盘;在过去几年中,通过对HL Tau恒星的研究,也揭示了这个磁盘中的间隙,使它看起来像环,可能是“婴儿”行星的足迹,当时的这一发现,也成了该领域的一次重大飞跃。

行星的形成不到磁盘质量的1%

在磁盘中较冷的地方,冰的微小碎片会附着上灰尘,肮脏的雪球可以聚集成巨大的行星核心。在这些较冷的区域,允许气体分子减速到足以被吸引到行星上的程度。在更加温暖的圆盘中,岩石行星在冰冷的恒星形成后形成 ,并且没有大量的气体供行星阻碍。科学家们曾捕获了年轻行星PDS 70b的罕见图像,其500万年的历史,仅占地球年龄的0.1%多一点,它比木星更大,并且仍然可以增长。在其圆盘上,通过引力形成了一个很大的间隙,比我们太阳系中任何行星的温度高。

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

现在我们所看到的太阳系统,只是那些在初始过程中幸存下来的东西。在我们历史的最初几百万年里,可能有早期的行星实际迁移并被太阳吸收。气体的存在,有助于固体材料颗粒粘在一起。灰尘团从鹅卵石般大小,变成更大的岩石,在这个过程中有的分崩离析,但其的一部分却坚持了下来。这些是行星的基石,有时也被称为“星子”。“婴儿之星”仍在抛出极热的风,被质子和中性氦原子的带正电粒子所控制。行星的形成不到磁盘质量的1%,而一旦行星形成,它们就不会一直停留在原地,并且,每个行星系统最终都会像进入中年。

在大约1-10亿年的时间里安顿下来

如果将我们所在的太阳系生命周期比喻为人的一生,那么现在的太阳系正当中年。在大约一亿到十亿年的时间里,行星会倾向于在它们的轨道上稳定下来,而恒星也不会爆发太多。但是,通过科学家们对太阳系外的行星的研究发现,以七个地球大小的岩石行星而闻名的一颗恒星TRAPPIST-1,形成于54亿至98亿年前的某个地方,大小为太阳的9%,是一颗极微弱的M矮星,但它比我们的太阳系更安全。并且,它的所有行星都非常靠近,位于水星轨道内。

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

在我们的太阳系中,已无法找到大小与木星相同或更大、轨道距离主星更近,并且经历灼热高温的热木星。但是,我们原本可能有一个被太阳吞噬的热木星,但很多星球会在其他甚至更老的系统中幸存下来。比如,科学家预计年龄为55亿年的HAT-P-65b和预估年龄为47亿年的HAT-P-66b。在围绕其他恒星的其他外来行星中,包括达到地球质量10倍的大型岩石行星 “超级地球” ,以及被称为“迷你海王星”的小型气体行星。在我们太阳系的时代,现在看上去是相对平静的,但随着恒星逐渐变老,最终可能会消灭它的一些行星。

进入红巨星阶段时轨道将会扩展

从现在开始,大约60亿年后,我们的太阳会进入红巨星阶段,核心逐渐耗尽燃料,随着氢气融合减缓,核心将再次收缩。越来越小的核心会加热,然后启动另一轮核反应,以将氦气融入到较重的元素。较热的核心使氢熔化在核心周围材料的“壳”中,恒星深处产生的额外热量,将导致其外层气体膨胀。在强烈的阵阵爆发中,垂死的恒星抛出外层的物质,红巨星阶段的结束,通常也是恒星生命中相对更暴力的时期。

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

当红巨星失去质量时,恒星在其行星上的引力会变得更弱,因此它们的轨道将会扩展,行星的轨道也可能变得不稳定。在我们自己的太阳系中,太阳会膨胀得太多,以至于它会融化、蒸发,并吞噬一些内部岩石行星,太阳将会甩掉大约一半的质量。由此,外行星的轨道也会向外漂移,并在此处沉降两倍,当接近燃料燃烧寿命的终点,太阳将变得更加明亮,且变得更大,它的直径会变得很大,以至于可以从幸存星球的表面填满天空。那么,太阳和星星会像火焰爆炸般的一样死亡,还是会因为小小的呜咽而崩溃?

燃料耗尽、气体排出后的死亡和新生

当前红巨星的核心耗尽了所有的燃料,并将所有的气体排出之后,剩下的密集恒星煤渣被称为白矮星。白矮星被认为是“死”了,因为它内部的原子不再融合,无法产生恒星能量,但为它太热了,所以仍然呈现出“闪耀”的状态,最终,它会冷却并从视野中消失。宇宙中几乎每颗恒星最终都会经历,从红巨星到白矮星的过渡。我们的太阳,将从现在开始的大约80亿年后到来。尽管极低质量的恒星,需要比现在的宇宙时代更长的时间才能到达。当然,行星也可以出生在超新星。

恒星系统的生和死,在一颗恒星的生命周期中会经历什么?

如果一颗恒星非常巨大,它可能会沿着不同的路径,扩展成一颗超巨星,并最终爆炸成超新星,来自超新星的冲击波可以触发新恒星的形成,在死亡之后创造新的生命。虽然,在超巨星周围,到目前为止没有发现有一天会爆炸的行星。但这并不意味着他们不在那里,虽然超巨星是非常罕见的,但它的耀眼程度远远超过任何轨道物体。超巨星包含多层不同种类的原子融合,能够产生巨大的能量输出,只是我们的技术可能还不够先进,所以暂时无法找到它们的行星,超级巨星可能稍纵即逝,但他们的爆炸在这个事件中起着重要作用。

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