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北京银监局|恒星死亡后,环绕它的行星会是什么

时间:2020-02-27

恒星死亡后,环绕它的行星会是什么样的命运?似乎没有善终的

曾经听说过一种非常离奇的理论,太阳死亡了之后木星将会替代太阳的位置,成为下一任太阳,继续照耀整个太阳系!当然这也就是某些连民科都算不上,却一直对摊煎饼理论无比执着的那位大神的一家之言,我们笑笑也就罢了!但事实上太阳真的会死,而宇宙中所有的恒星都会走向死亡,这是不可避免的自然规律,那么作为恒星子民的行星会是怎么样的命运?


一、恒星有几种命运?它所在恒星系的行星命运又如何?


大多数恒星未来的发展命运,在恒星诞生的那一刻就注定了,唯一不同的是不同的恒星会有不同的命运!


1、小质量恒星


也就是大家俗称的红矮星,低于太阳质量35%以内的恒星,会有充分的对流层,氢元素剧变后的氦元素不会堆积在内核,会通过对流分散在恒星各处,而位于恒星其他区域的氢元素则可以通过对流到内核彻底燃烧,因此红矮星的氢元素利用率极高,它的寿命超长!它会保持稳定发光数千亿年!


但这并不表示红矮星的行星就可以高枕无忧了,事实上如果要让红矮星的行星宜居的话,它的距离必须要足够近,因此潮汐锁定可能行星的命运,而太近的距离会导致另一个结果,红矮星一旦大型耀斑爆发(规模可能达到太阳最大耀斑的一万倍),行星的命运是可想而知的,所以,无需等恒星寿终正寝,行星就已经“死了"!


2、类日恒星与中等质量恒星(7-10倍太阳质量以内)


这类恒星(大于0.8倍太阳质量)由于在内核与外部对流层之间存在一个辐射层,对流并不彻底,因此在氦元素堆积之后会有红巨星时代,比如太阳的红巨星时代将会膨胀到地球轨道附近,也就是说太阳的半径将高达1个天文单位!


0.8-2.2倍太阳质量的恒星还有一个氦闪时代,因为氦元素在内核堆积,但恒星的内核温度并不足以点燃氦元素聚变,但在后期中心氢元素逐渐耗尽,引力坍缩能积聚,将会出现氦燃烧阶段,这个过程非常短暂,只有数分钟,但是放的能量仅次于超新星,它不会把恒星炸散,但却会抛洒大量的恒星物质,这对于恒星系内的行星可不是一件什么好事。轻者被剥离大气,重者行星表面都可能被横扫。


太阳的光度变化曲线,尖峰就是氦闪时代,第一次氦闪会在太阳脱离主序星12亿年后发生,以后会越来越频繁,一直到太阳的白矮星时代才会结束。


2.25到7-10倍太阳质量的恒星则能直接燃烧氦元素,因此它不会经历氦闪时代,但红巨星仍然是必经之路!红巨星极有可能吞噬距离比较近的行星,比如全天区著名的红巨星,盾牌座UY,它的质量并不高,大约只有太阳质量7-10倍,但它的直径却已经膨胀到了太阳的1,708 ± 192倍,如果在放在太阳系的话,其外缘能达到土星轨道附近!


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上图正中最亮的那颗为盾牌座UY


即使如太阳,它的红巨星时代都有可能吞噬水星,但地球也许不会,因为太阳成为红巨星后质量大量丢失,地球会脱离原来的轨道而距离太阳更远,因此可以逃过吞没的命运,但经历和氦闪和红巨星时代的地球,早已死气沉沉,是否被吞噬,我们并不是特别关心。


最终这个级别的恒星未来将在失去辐射压后内核坍缩为简并氦核(超过0.5倍太阳质量),或者兼并碳氧内核(太阳质量),甚至更重的简并元素内核,这和末期内核能达到的温度有关(内核温度与质量直接相关)!


一般认为能到最后铁核坍缩形成超新星爆发的需要7-10倍太阳质量以上,但也有可能低至5-6倍!


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0.8–8 M☉的恒星典型演化过程。


3、大质量恒星和超大质量恒星


7-10倍太阳质量以上的恒星最终命运都一样,未来面临的将是超新星爆发,所不同的只是它们经历的过程,我们来了解下大质量恒星超新星爆发前的状态,内核温度够高,元素可以从氢氦碳氧氖镁硅硫钙一路到铁,此时铁核再无可能聚变,因为铁元素后的元素形成需要大量的结合能,而此时没有辐射压的支撑,外壳重力坍缩,超新星就此爆发,一次超新星爆发产生的能量超过10^46焦耳。


这种星系级别的能量爆发,行星被摧毁是非常有可能的,比如《星际迷航11》中就有一个桥段,大意是罗慕伦行星被附近恒星爆发的冲击波摧毁,但事实上却不会发生,因为在即将超新星爆发的附近不可能存在宜居行星,红巨星时代的高温早就将宜居带内的宜居行星烤成地瓜,不过这个特效刚好可以示范下超新星爆发如何摧毁围绕它公转的行星!


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甚至超新星爆发都可能摧毁它的伴星,上图是第谷Ia型超新星爆发时伴星得以幸存的示意图,这算是一个比较不错的结果!超新星爆发都可能摧毁恒星,它星系内的行星就更不在话下了!


Ia型超新星:白矮星吞噬伴星质量超过钱德拉塞卡极限(1.44倍太阳质量)发生的超新星爆发,罕见的可能是两颗白矮星合并。


超大质量恒星,大于40倍太阳质量


这是一个比较有意思的级别,是否会膨胀成红巨星最关键的一个因素是辐射层的厚度,它会阻止对流层到达恒星表面,但由于这个级别的恒星表面温度极高,强烈的恒星风会将表层物质逐渐剥离,在恒星演化到红巨星阶段前即核心的对流层就延伸到了表面,因此它不会经过红巨星阶段。


大质量恒星内部非常复杂,不同金属丰度与质量的恒星演化之间都会有差别,一般20-30倍太阳质量以内的恒星内部铁核崩溃后将超新星爆发,内核坍缩成中子星,高于这个质量则坍缩成黑洞,而更高质量的比如60-133倍太阳质量的恒星,内核温度极高,极致能量的 γ 光子会因相互作用产生正负电子对而湮灭,但这个过程导致能量损失而不稳定,最终内核辐射压减小而坍缩温度剧升引发超新星爆发,整颗恒星可能被炸散,不留一点残骸!


超过爱丁顿极限的恒星


40倍以上的恒星不会经历红巨星时代的关键原因就是大质量恒星会接近或者超过爱丁顿极限(太阳质量的150倍),这个是恒星的辐射压与引力坍缩平衡的一个参考值,接近或者超过这个极限恒星会变得基不稳定,比如R136a1(太阳质量的256倍)正在大量失去质量,据估计R136a1诞生时高达320倍太阳质量(它可能是多颗恒星合并合成),在数百万年间已经损失了60倍太阳质量。


大麦哲伦星系蜘蛛星云中的R136a星团


天文学家认为在200-250倍以上的恒星极有可能直接坍缩成黑洞,但因为对如此高质量的恒星内核结构不太了解,甚至对这类恒星的结构也存在不确定性,因此也有可能发生与如上文的超新星爆发,中心不会留下任何天体,只有一片恒星的残骸-星云!


这类恒星周围即使诞生恒星也难以存在生命,而我们尚未发现这类巨型恒星周围存在行星,不过即使存在,那么强大的恒星风比太阳上最剧烈的耀斑还要强得多,其周围的空间环境是极其恶劣的。


三、我们能改变这个命运吗?


就现代人类掌握的科技而言,我们是不可能改变这个结果的,氦闪更不用说了,甚至连太阳强一些的耀斑爆发我们都难以承受!


比如1989年魁北克大停电就是太阳X级耀斑爆发所致,这种地球磁场受到高能带电粒子冲击引起的波动在长距离输电线上感应出的电流,导致变压器磁通过饱和出现保护性跳闸甚至烧毁的严重后果,在大规模跨区域电网中是难以避免的,除非都改成区域性独立电网,或者对这种感应电流加以检测,及时断开保护电网,但停电是无法避免的。


无疑《流浪地球》中将地球直接用行星发动机推走明显是最好的办法,不过可惜的是首先要让地核冷却,否则薄薄的地壳下就是液态岩浆,强大的行星发动机很容易导致地壳破裂,继而引发火山喷发,而这对于人类来说仍然是一件难以完成的任务。


四、哪类恒星周围才能善终?


似乎没有一种恒星可以让它的行星快快乐乐过完一辈子嘛,其实也并不全对,在太阳0.5倍-0.8倍之间,有一个比较小的区间,这类恒星不会经过中心氦元素堆积造成的氦闪,也不会像对流层直达恒星表面的0.4倍以下红矮星剧烈的耀斑活动,因此对于行星来说,这类恒星最适合宜居的。


天仓五就是这样一颗恒星,距离太阳约12光年,质量约为太阳的0.8倍,它寿命比较长,表面活动很低,不过它是一颗比太阳更古老的恒星,另根据2004年英国由珍·格里维斯领导的天文学家小组观测显示,天仓五的尘埃盘密集度偏高,距离恒星偏近(10天文单位),太阳系的柯伊伯带在30-50天文单位外,这表明天仓五周围的行星遭受撞击的概率可能比地球高十倍!


看来在哪都有不如人意的缺点,“金窝银窝不如自己的狗窝”,太阳系就挺好的!我们安心呆着吧,发展科学技术,未来扩大搜寻范围,给咱地球找个更好的婆家!