耀眼恒星 是如何慢慢老去的

2017年11月02日11:47  来源:科技日报
 
原标题:耀眼恒星 是如何慢慢老去的

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  俗话说,万物生长靠太阳。可是你想过没有,未来的某一天,太阳会变得很狰狞,可能会把地球“吃”掉,其场景就如同时常看到的新闻报道:“现在太阳已经进入了红巨星的状态,10亿年后世界的真正末日将会到来……”

  真相到底是怎样的?太阳演化会对地球产生哪些影响?恒星有哪些不同归宿?它们命运的决定因素又是哪些?

  太阳正值壮年,离红巨星还有很长的路

  开头引述的新闻报道,只说对了一部分。

  和其他恒星一样,太阳晚年时会膨胀成一颗红巨星。这是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段。到那时候,太阳将看起来是红色的,而且体积非常巨大。太阳的体积会覆盖水星、金星轨道,甚至接近地球轨道。

  “岩浆的温度不过上千度量级,可以想象,当几千度的太阳到达地球跟前时,地球将会处于一种熔融状态。” 中科院国家天文台恒星物理团组首席研究员邓李才告诉科技日报记者,一旦太阳进入红巨星演化阶段,在其膨胀到地球轨道之前,地球上的环境就会变得非常恶劣,不适宜生命存活。

  但这一天还有多远?中科院国家天文台恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人苟利军指出,目前研究显示,太阳目前约50亿岁,正处于其演化的青壮年期,现状还可以再持续近50亿年。“在此之后,才进入所谓的红巨星演化阶段。”

  演化成红巨星的太阳是否真的会到达地球轨道,“吃”掉地球呢?邓李才表示,目前还难以精确预言。因为太阳变大的过程中会有太阳风作用到地球,但地球也不是孤立存在于太阳系的。“地球有卫星月球,外围还有土星、木星2颗大的行星,构成复杂的力学系统。在未来46亿年的时间里,上述因素如何作用于地球轨道还难以精确预测,目前有研究称地球轨道会向外移动10%”。

  尽管红巨星阶段的太阳不一定会覆盖地球轨道,直接“吃”掉地球,但在邓李才看来,地球存留下的希望依然渺茫。他指出,红巨星质量损失是非常不均匀的,地球很可能正面遇上远超其质量的日冕物质撞击,处于冕区位置的地球很可能被气化掉。

  绕不开的赫罗图,研究恒星演化的重要工具

  恒星的寿命,以百万、亿年来计,从人类视角来看,恒星演化的过程极为缓慢,往往几个世纪也观测不出任何变化。单独观察一颗恒星无法了解恒星演化全貌,天文学家便寻找替代方法。“天文学研究,难以通过具体的实验来开展,于是不得不借助统计的手段进行。”邓李才说道。

  二十世纪初,丹麦天文学家赫茨普龙及美国天文学家罗素独立提出,可以以恒星光度或绝对星等为纵轴、以恒星的光谱类型或表面温度为横轴,将恒星标识在一张图上。这便是如今天文学家研究恒星演化的必备工具——赫罗图。

  黑夜里仰望星空,会看见星星有暗有亮。“人们实际看到的恒星亮度,受到其距离的影响,光度就是扣除了距离因素的天体发光强度。”邓李才说,亮暗之外,星星还有颜色,不同的颜色意味着不同的表面温度。

  赫罗图能让科学家对恒星进行“年龄普查”。当把大量的恒星按照光度和表面温度在图上标示成点后,科学家发现这些点的分布有一定的规律性。占总数近90%的点,密集分布在图的左上方到右下方大致沿着对角线区域,呈带状。天文学家把这条带称为主星序,带上的恒星称为主序星。主序带的右上方和左下方各有一个点比较密集的区域。“百分之八九十的恒星呆在主序带上,说明恒星一生中的大部分时间都处于这个状态,而处于主序带之外状态的时间较短。”邓李才说。

  随着时间的推移,恒星的内部结构逐渐演变,其光度和表面温度随之改变,从而在赫罗图上的位置发生变化。天文学家据此描绘了恒星从诞生、成长到衰亡的演化路径,并从理论上给出恒星从诞生到主序星、红巨星、变星、新星(超新星)、致密星(白矮星或中子星或黑洞)的演化机制和模型。

  邓李才向科技日报记者展示的一张图片显示,作为一颗小质量、相对低温的黄矮星,太阳目前处于赫罗图上主序带中部位置,正处于青壮年。

  质量和金属丰度,决定恒星归宿的两大因素

  当恒星离开主星序,进入赫罗图右上方红巨星区域,意味着进入了生命“晚年”。日渐衰老的恒星会走向什么归宿呢?不同的归宿由什么来决定呢?

  “恒星的寿命、演化特征,以及最终归宿,都是由质量和金属丰度来决定的,质量是最重要的因素,金属丰度是次要因素,”邓李才说道。

  恒星的一生,都在与其自身引力做斗争。在内部的氢元素逐渐聚变为氦、碳、硅,直到铁元素的过程中,会产生巨大能量来支撑恒星与其自身引力相抗衡。质量越大、金属丰度越低的恒星,其核聚变的原料更加充沛。当所有的核聚变原料用光,恒星将无法再抵抗引力,自行坍塌,走向生命的终点。

  以太阳为代表的小质量恒星,进入红巨星阶段后,演化速度大大加快,中心区域温度持续升高,密度不断收缩,最后抛掉外层气壳,剩下一颗致密和炽热的白矮星,逐渐冷却成又小又暗的黑矮星。

  质量和体积较大的恒星,在演化的终点会爆炸,迸发出盛大太空焰火,即超新星爆发。如果留下的恒星核心“残骸”质量足够大,在1.4—3个太阳质量之间,它会坍缩为“中子星”。质量更大的恒星核心,最后会坍塌为黑洞。

  尽管核聚变的原料更充沛,但质量越大的恒星,寿命反而越短。“大质量恒星辐射的光度比较大,能量消耗得更快一些,所以寿命相对比较短。”苟利军说。恒星以发光的方式向外辐射能量。对于主序星来说,它的光度与质量的四次方成正比。也就是说一颗质量为太阳质量10倍的恒星,每秒辐射的能量是太阳的104倍,因此比太阳更快地走向衰亡。

  “有些质量很小的恒星在主序带上停留的时间甚至超过目前宇宙的年龄,达到约150亿年。”邓李才说。唐 婷

(责编:任志慧、邓楠)