恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

文章来自微信民众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:张君波,题图来自:影戏《漂泊地球》

张君波

 中国科学院国度天文台助理研讨员

2019年大年初一上映了一部异常出色的科幻影戏,叫《漂泊地球》。

这部影戏讲的是假定太阳演变到了红巨星阶段,在短短数百年内,它将发作氦闪,地球将面对风险。

因而,人类联合政府启动了“漂泊地球设想”,设想将地球作为一艘宇宙飞船,率领地球生命驶离太阳系,飞向4.2光年外的近来的恒星——比邻星,在这个历程当中发作的一些故事。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

什么是红巨星?什么是氦闪?

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

要解答这些问题,就要从天文学中异常主要的研讨方向——恒星及演变理论中去寻觅答案了。

恒星与宇宙

什么是恒星?

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

恒星是一种异常罕见的天体,它是一颗依附本身引力凝结成的能本身发光的球体。

离我们近来的是哪一个恒星?

近来的恒星就是我们熟习的太阳。太阳的半径是70万公里,是地球半径的109倍,地球间隔太阳1.5亿公里远。

宇宙中公认的最快速率是真空中的光速,光以约莫每秒30万公里的速率,从太阳外表到地球也须要500秒的时刻,也许8.3分钟。

如果人人走到户外,看到的太阳光现实上是8.3分钟之前太阳发出的光。此时此刻,太阳发作的任何变化,我们须要再等上8.3分钟才可以看到,可见这个间隔异常远。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

太阳的体积是地球的130万倍。天文学家经由过程剖析太阳的光谱得知,太阳的大气中,70%是氢,28%是氦,2%是重元素,实在太阳在银河系中是异常一般的一颗恒星,它不算大,以至另有一点点小。

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,因而没法跳出银河系来给它拍一张照片,然则我们经由过程观察研讨发明,银河系是一个旋涡星系,我们的邻人仙女座大星系恰好也是一个旋涡星系。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

银河系是一个通亮的河球,有银盘、银晕,因而天文学家根据观察,以及一些理论,再加上看到的一些旋涡星系,设想出了银河系也许的模样。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

太阳在那里?给人人圈出来了。银河系有河球、银盘、银晕,银盘上有许多悬臂。

银河系有若干颗像太阳一样的恒星?据统计,也许有2000亿颗~4000亿颗恒星。适才给人人演示的仙女座大星系,不管从质量照样半径上来看都比银河系要大一倍,也就是说仙女座大星系最少要有4000亿颗恒星。

宇宙到底有若干颗恒星?可以开端预算一下,宇宙约莫有上千亿个星系,每一个星系约莫有上千亿颗恒星,全部宇宙包含了约莫10的22次方颗恒星,这个数量我们不知道有多大,只知道也许是这个数字。

人人有无数过地球上的沙粒?它是数不尽的。有人做了统计,也许地球上会有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量比地球上的沙粒还要多得多。宇宙这么大,好像拿千里镜对向天空,就可以捞到大把的恒星。

恒星的降生

大批研讨发明,恒星跟人类一样有诞生和殒命,恒星宝宝是怎样降生的呢?

恒星宝宝现实上起源于一团气体云,气体云会存在散布不均匀的状况,密度比较大的地区存在引力,会吸收四周的气体,使本身的质量逐步增大,然后构成一颗原恒星。

人和人之间根据牛顿万有引力定律有万有引力作用,那我们为何觉得不到呢?由于质量太小了,如果质量大到肯定水平,引力的作用就会异常显著。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

适才提到原恒星构成以后,就像滚雪球,越滚越大,原恒星的质量异常高,高到肯定水平,恒星内部的温度、压强、密度都邑异常高,高到可以将原恒星内部的氢点燃,发作核聚变,因而一颗恒星宝宝就如许降生了。

宇宙中恒星的数量异常多,品种也许多,就拿最熟习的太阳来解说恒星的终身吧。

太阳宝宝降生以后,意味着它的内部启动了氢核聚变,氢熄灭以后会进入一个异常稳固的阶段,叫主序阶段。

主序阶段是怎样抵达稳固的呢?恒星内部不停熄灭氢,发作核聚变,氢发作核聚变会生成更重的氦,氦会沉积在恒星的内部。

在这个核聚变的历程当中,恒星会辐射出大批的能量,能量会支持恒星有一个向外膨胀的作用力。别的,由于恒星太阳的质量异常大,所以由于引力、重力的作用它会有相对压缩的力,二者抵达均衡后,就构成一个稳固的阶段。

也就是说,如今的太阳就处在一个稳固熄灭的阶段,即主序阶段。据天文学家研讨盘算,太阳已稳固熄灭了45亿年,而且还将继承稳固熄灭50亿年。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

设想一下,总有一天太阳内部的氢会耗尽,那一天会怎样?如果恒星内部的氢熄灭完了并生成了氦,这时刻的氦临时没法点燃,会占有恒星内部,而氢就会跑到恒星的外部,熄灭就从恒星内部转移到恒星外部,这就打破了原有的均衡。

因而太阳就会向外扩大,扩大成一个又大又红又亮的恒星。这个阶段就称为红巨星阶段。

红巨星的半径异常大,关于太阳来说,当它演变到晚期红巨星阶段时,它的半径会漫过水星、金星的轨道,以至抵达地球的四周,太阳能量云云庞大,温度还异常高,地球早就不复存在了。

什么是氦闪?

氦闪现实是发作在恒星演变到红巨星晚期的时刻,由于恒星在中期时积累了很高的温度,在中心部份将氦点燃了,氦点燃以后熄灭异常快,短短数秒钟以内就可以释放出大批的能量。

在《漂泊地球》小说原著中形貌的氦闪历程异常震动,但现实上氦闪的历程是发作在恒星内部的,我们是看不到那样震动的排场。

《漂泊地球》说人类为了防止氦闪才入手下手了流亡设想,这个不太正确,现实上在太阳演变成红巨星之前,就应该做好流亡的预备。如果比及氦闪的时刻才流亡,地球已被红巨星给吞没了。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

别的,适才提到太阳还将稳固熄灭50亿年,实在我们并不须要太甚忧郁太阳老了以后会形成地球消灭。我们反而更应该忧郁,由于人类本身缺少庇护地球生态环境的认识而消灭了地球。

比方,我们不注意碳的排放量,环球温度升高,形成冰山消融,大概在太阳引发地球变化之前,地球就由于人类种种的运动而消灭了,所以庇护地球照样最主要的使命。

恒星的殒命

恒星真的永久吗?

恒星不是永久的,它会殒命。关于太阳如许的恒星,当它演变到红巨星阶段时,就意味着它濒临殒命了。

天文学家经由过程剖析发明,恒星确实是有寿命的,而且它的寿命跟它的质量有很大关联,关于一颗跟太阳质量差不多的恒星,它的寿命也许是百亿年量级,太阳如今的岁数约莫是45亿年,老去最少还要50亿年。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

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

恒星的质量不光决议了它的寿命,别的,差别质量的恒星色彩也不一样。大质量的恒星一般会发偏蓝白的光,小质量的恒星发出来的光偏红。

我们还注意到,恒星差别的色彩温度就差别,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。

天文学家根据相似太阳的恒星光谱能量散布,将恒星分红许多差别的光谱星。我的主要研讨方向就是像太阳一样的晚型的恒星。

适才提到恒星的质量决议了恒星的演变状况、恒星的状况。别的,恒星的质量还决议了恒星终究殒命后的产品是什么,也就是恒星终究的归宿。

关于中小质量恒星,比方小于8个太阳质量的恒星,它们演变到晚期的时刻会构成一颗红巨星,以后会将四周的物资抛洒出来,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。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

关于大质量恒星,它们演变到晚期会构成红超巨星,而且发作超新星爆炸,爆炸以后,留下了中心异常小的核。

如果它本来的质量大于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,超等星爆炸后,中心会留下一个黑洞。

如果有时机从白矮星上抠下来篮球大小的一块物资,放在天秤的一端,要想让天秤坚持均衡,天秤的另一端就须要放一艘帆海巨轮,可见这个白矮星的密度之高。

如果我们有一双手,可以伸到黑洞里去挖下来一个玻璃球这么大的小球,它的质量也会即是地球。

适才提到我的主要研讨方向是晚型恒星,研讨的要领就是用天文千里镜拍摄恒星的光谱,这些就是恒星的光谱,这个光谱人人看了大概有一点麋集恐惧症,然则我敢保证,这个光谱已是我看到的最好的太阳光谱了。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

经由过程剖析太阳光谱,包含恒星光谱,我们可以取得恒星的参数,包含这颗恒星的外表温度、重力、金属含量,还可以连系演变曲线取得恒星的质量、岁数、速率等等。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

有了这些信息,我们可以研讨许多恒星的理论。别的,我们还可以经由过程剖析恒星光谱来取得恒星种种元素的构成身分,从而研讨恒星以及星系的构成和演变。

日常平凡的观察要应用国内、外洋的大型千里镜。异常荣幸的是,我在我们国度天文台兴盛观察站事情,这也是亚洲大陆最大的光学天文观察基地,它具有口径凌驾50厘米的科研级千里镜9台。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

我主要用个中两台比较大的千里镜,它们是观察基地最大的两台,也是现在我们国度已建成的口径排名第一和第三的光学天文千里镜——郭守敬千里镜和2.16米千里镜。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

在夜晚的基地上空,我们可以看到异常辉煌的星空,时刻适宜,就可以看到如许辉煌的银河。

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恒星的摇篮和宅兆

如果细致去看,我们可以看到天上的星星分许多种,而且色彩是不一样的,还会看到一个异常显著的星座,那是冬季最为刺眼的星座——猎户座。旁边的这幅图展现的是根据希腊神话设想出来的一个猎人的抽象。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

上面两颗星是猎人的肩膀,下面两颗星是猎人的两条腿,中心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。

观察发明,这颗星是一颗红超巨星,质量约莫是太阳的十几倍,我们预算它有大概已发作了超等星爆炸,然则如今临时看不到,由于它间隔我们约莫有1500光年,也就是说,我们想看到它爆炸以后的现象,要等上1500年。

下面迷迷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千里镜,背面接一个单反相机,就可以拍到如许的现象。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

这就是有名的猎户座大星云,这个星云的中心地区有许多通亮的部份,这些部份就是恒星宝宝成团降生的地区,也叫恒星构成区,也就是说猎户座大星云是恒星宝宝降生的摇篮。

天空中有许多美丽的星云,适才说到恒星降生的摇篮,如今我们再来说一下恒星殒命的宅兆。

这颗星是一颗红超巨星发作了超等星爆炸以后留下的遗址,异常有名的蟹状星云。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

这个是窝状星云,它的质量显著没有适才那颗恒星的质量大,因而爆炸得没有那末严峻,照样比较整洁的,中心有一个小白点,这就是留下的一个中心致密的核。

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这个星云是猫眼星云,许多天文学家研讨它,由于它是一颗质量为太阳大小的恒星在殒命的时刻留下的现象。从这张照片当中,我们好像可以看到太阳在殒命的时刻会是一个什么样的现象,而且也基础可以感受到这颗恒星在殒命前的挣扎。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

质量大于20个太阳质量的恒星殒命后会构成黑洞。

2019年之前,天文学家并不知道黑洞真正长什么样,由于黑洞的质量太大了,引力异常强,强到即使是光以那末大的速率都逃不出来,所以我们说它黑也是由于光跑不出来,我们看不到它。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

然则,由于黑洞的四周会存在强引力场,黑洞四周的气体味构成一个吸积盘,有些时刻会有一些喷流,所以有时刻我们可以观察到这些通亮的部份。

因而我们根据观察到的部份设想黑洞本来的模样。直到2019年4月10号,我们终究取得了人类历史上第一张黑洞照片,这张照片由环球200多位天文学家应用8台亚毫米波设想千里镜构成的庞大千里镜阵,对M87这个椭圆星系中心拍摄拍到的。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

人人大概会说,这个黑洞看起来不如适才艺术家设想得那末悦目。我想说的是,它虽然没有艺术家设想得那末辉煌,然则它倒是实实在在被我们拍到的。关于人类相识黑洞,相识宇宙演变,这是人类历史上迈出的主要一步,异常大的一步,意义特殊。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

适才讲到恒星会诞生,也会殒命。恒星殒命的时刻会抛射大批物资到星际空间中,这些物资又将会成为下一代恒星构成的构成材料,这是一个循环往复的历程。

恒星并不永久,然则它却能“循环转世”

从这个角度来说,虽然恒星本身并非永久的,然则它却生生不息,也许这就是别的一种永久的存在。


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