【未解之謎】超新星爆炸 參宿四是下一個?

驚天異動!銀河系最神祕「參宿四」超新星爆炸?可見宇宙有4千億億個黑洞!30億年後,地球變焦黑行星。(《未解之謎》提供)
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2020年的夏天,位於夏威夷毛伊島哈雷阿卡拉火山的泛星計劃(Pan-STARRS)望遠鏡突然探測到大量的輻射,而發射源來自距離地球大約1.2億光年的NGC 5731星系,一顆即將走完生命進程的紅超巨星正在猛烈噴射氣體。幾個月之後,2020年的秋天,一顆超新星照亮了天空,科學家將其命名為超新星2020tlf(SN2020tlf)。這是有史以來,天文學家首次實時見證了紅超巨星走向超新星爆發的全過程。

說到超新星,如果光看名字,大家可能會覺得超新星也是一種星體,其實它只是恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸,亮度非常耀眼。我們一會兒詳細說說。

而紅超巨星的前身就是恆星,於是人們不由地要問,那我們的太陽未來的命運會如何,是否也會最後爆炸成超新星?那時候,地球又會怎樣?還有離我們很近的參宿四曾出現異動,難道要超新星爆發了嗎?今天,我們就來和大家聊聊這些問題。

恆星的演化

我們先從恆星的出生開始說起。所有的恆星都會誕生於一個巨大的星雲之中,有多大呢?典型的星雲直徑大約是100光年,其中包含的質量大約是太陽質量的600萬倍。當這個星雲由於各種原因發生碎裂後,就會分裂成越來越小的碎片,大量的低溫氣團因為自身重力收縮,密度升高,重力勢能轉化成熱能,從而釋放出大量的熱量,於是最後碎片凝聚成超熱的氣體旋轉球,叫做原恆星。按照佛家「成住壞滅」的說法,恆星處於「成」的初期,如同嬰兒剛剛降生一般。

之後,這個恆星嬰兒就進入了成長階段。它在星雲中繼續吸引和積累星際氣體和星塵。像太陽同等質量的恆星,這個成長過程大約花費10萬年左右。之後,原恆星就會根據其最終質量,演化成不同的星體。

質量特別小的,少於0.08個太陽質量的原恆星就會變成「棕矮星」。棕矮星挺尷尬的,因為它太大而不能稱為行星,太小又不能稱為恆星。它發出的光很黯淡,在數億年的時間內會逐漸冷卻而慢慢消失在可見光中。

而質量是8個太陽質量之內的原恆星將會變成「低質量恆星」,質量更重的將成為「大質量恆星」。而這兩者的未來發展也會大不相同。

這個階段恆星處於穩定時期,也就是「成住壞滅」過程中「住」的時期,被稱為主序星,一顆恆星將在主序階段度過它的大部分生命。

太陽的未來

在恆星的整個生命中支撐它的能量就是氫。質量越大的恆星,氫消耗的速度越快,所以生命也就越短。按照現在科學界的推算,太陽這樣的恆星大約有100億年的生命,現在估計太陽大約有45億年了,所以應該說正處在壯年期吧。那麼再過50億年,太陽會變成什麼樣呢?

按照現有的理論推演,太陽的顏色會由現在的黃白色變得越來越紅,而體積呢也會變得越來越大,最後直徑能有現在的256倍,變成一顆紅巨星。到時候,近日行星,包括水星、金星、地球都會被太陽一口吞下。

不過地球上的人類恐怕無法看到這一天,因為科學家預計,從現在大約過30億年以後,地球的表面將變得如同金星一般高熱。再過幾十億年後,地球的空氣都會向外太空逸散,最後變成焦黑的行星。也就是說,等不到地球被太陽吞掉,人類就已經無法在地球上生存了。所以說,星際移民要趁早啊。

再回到太陽這兒,它變成紅巨星之後,在最終耗盡了所有的燃料之後,就會不斷向內坍縮,最後變成一個白矮星。白矮星的密度非常非常大,一顆與太陽一樣重的白矮星,其半徑大約只有太陽的1%。再形象點說,一茶匙的白矮星物質大約有5.5噸重,比最重的亞洲象還重。

超新星爆發

在太陽系這樣的單恆星星系中,變成白矮星的恆星最終命運就是耗盡所有能量之後,變成冰冷且黑暗的黑矮星。但是宇宙中的星系,其實大多數都是聯星星系,就是兩顆或者更多顆恆星相互環繞的這麼一種星系。比如天狼星雙星系統。

如果這樣的星系,其中一顆主恆星變成了白矮星,那麼它就會吸收伴星的能量。吸收過來的能量會變成氣體被拉到白矮星周圍的一個大圓盤上,隨後這些氣體也就會圍著白矮星進行旋轉,旋轉過後這種氣體也就會慢慢發熱,隨後將會落到白矮星之上。

如果這顆白矮星的質量越來越大的話,有可能將會達到它的質量極限——錢德拉塞卡極限,這個極限大概是1.4個太陽的質量。超過這個質量極限之後,白矮星就會進一步坍縮變成密度更大的中子星。不過這個過程可是驚天動地的。為什麼呢?因為白矮星會發生超新星爆炸,放射出大量電磁輻射,發出耀眼的光芒,這個光的明亮程度甚至超過整個大星系的亮度,這個過程可能持續幾週至幾個月甚至幾年才會逐漸衰減。那麼到底釋放了多少能量呢?科學家認為,一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相當。

而超新星爆炸也有很多,像我們剛才說的白矮星因為質量超過界限發生的爆炸,被稱為Ia型超新星。它有什麼特別之處呢?因為它都是白矮星在同一個質量點爆炸的,因此爆炸的威力和光度是基本一致的,這就為科學家們測量宇宙天體距離提供了一個準星,天文學家們把它叫做標準燭光。也就是說,通過測量不同星系中的Ia型超新星,就能知道這個星系離我們有多遠。

超新星爆發除了白矮星帶來的這種形式,還有另一種,就是我們在節目一開始介紹的,由「紅超巨星」直接爆炸而成。

剛剛我們說了恆星在進入老年期之後,就會變成「紅巨星」。而如果恆星是質量很大的「大質量恆星」,它就會變成「紅超巨星」,質量再大的就叫「紅特超巨星」。

「紅超巨星」和「紅特超巨星」帶來的超新星爆炸,可以說更可怕,因為這不僅會產生中子星,甚至還會「炸出」黑洞。

中子星和黑洞

先來說說中子星,它可以說是非常神祕的星體,密度超級超級大。它的內部已經沒有什麼電子、原子核啦。因為壓力超大,不僅原子的外殼被壓破了,而且連原子核都能被壓破,質子和中子都被擠出來,質子碰到電子,又結合成中子。就這樣,把整個星體就只剩中子了。咱們還是形象些打個比方,中子星的密度是每立方厘米10億噸,就好像把喜馬拉雅山壓成一塊方糖那麼小。

中子星旋轉速度極快,兩磁極放射極強的輻射,輻射所到之處幾乎沒有生命能存活。由於有的中子星磁軸和自轉軸並不重合,磁場旋轉時所產生的無線電波等各種輻射可能會以一明一滅的方式傳到地球,就好像燈塔般一閃一閃,被稱作脈衝星。大家注意一下哦,不是所有的中子星都是脈衝星,有的中子星沒有脈衝的。同樣,也不是所有的脈衝星都是中子星,因為有的白矮星也會這樣一閃一閃。據說脈衝星剛剛被發現時,人們還以為這是外星人傳來的信號,後來才發現自己想多了。

如果中子星繼續吸收質量坍塌,超過奧本海默極限,那就會產生黑洞。而如果進行超新星爆炸的「紅超巨星」的質量超過太陽質量的20倍,那麼它爆炸後也極可能直接產生黑洞。

黑洞是宇宙中存在的「怪獸」,它周圍的時空極度扭曲,擁有極端強大的引力,以致於所有粒子、甚至光這樣的電磁輻射都不能逃逸。一份最新發表在《天體物理學期刊》的論文顯示,根據研究模型的推算,我們這個可見宇宙中有大約有4千億億個黑洞,也就是4X10¹⁹個。

黑洞形成後,它可以通過吸收周邊的物質來繼續生長。科學家發現的黑洞質量基本上都處於兩個極端:一類是恆星質量級別的黑洞,這類黑洞質量大約是太陽的10─24倍;另一類是超級黑洞,各個星系的中心都盤踞著一個這樣的超級黑洞,質量可以達到太陽的數百萬至數十億倍。

超級黑洞的形成原因目前還是個謎。有天文學家發現了黑洞的合併行為,因此推測黑洞有可能通過吸收其它恆星並與其它黑洞合併,成為超級黑洞。不過說實話,如果每個星系中心的黑洞都是這樣形成的,那整個過程該是多麼漫長。

參宿四會變身超新星嗎?

那麼在我們的銀河系中,有沒有會發生超新星爆發的候選者呢?有。那就是位於獵戶座肩部的參宿四。參宿四是一顆明顯的紅色亮星,也是夜空中最容易認出的恆星之一。它距離地球640光年,質量是太陽12倍、半徑約900倍、體積約7億倍。如果把參宿四搬到太陽的位置上,那麼它能將木星吞噬。

參宿四很年輕,只存在了1千萬年。但是大家還記得我們之前說了,恆星體積越大壽命越短嗎?所以它早已燃燒完核心內的氫,現在已經進入了變成超新星的第一步——變成紅超巨星。而2019年底到2020年初,參宿四的明亮度還一度降至歷史最低點。當時有人覺得,這很可能是參宿四要超新星爆炸的前奏。

於是不少人因此陷入了恐慌,為什麼呢?我們之前說了,超新星爆發釋放的輻射能量非常強,它形成的中子星也好、黑洞也好,也都會釋放出超強輻射。如果這次爆發離地球很近,那麼很有可能會因此破壞地球的大氣層。美國​​伊利諾大學厄巴納香檳分校的天文物理學研究團隊指出,在3億5900萬年前,也就是泥盆紀末期,地球遭遇了最大規模之一的物種滅絕事件,而這次事件很可能就是太陽系外的超新星爆發所造成的。如果參宿四發生超新星爆炸,會不會給人類帶來再一次的生物滅絕呢?

就在眾人的各種猜測、疑惑、研究中,2020年4月,參宿四又恢復了原先的亮度。大家就更奇怪了,它身上到底發生了什麼呢?

後來,一份發表在《自然》雜誌上的論文揭開了參宿四的變暗之謎。研究團隊認為參宿四在此大幅度變暗之前的某個時刻,這顆恆星在向外脈動之下,噴出了一個遠離它的巨大氣泡,而當不久之後表面的一塊區域冷卻下來時,溫度下降到足以讓氣體中的重元素凝結成固體塵埃,正是這些塵埃導致參宿四看起來變暗。看來是虛驚一場呀。

不過,參宿四已是註定會進行超新星爆發的了,關鍵是在什麼時候?這得看它的核心在燃燒什麼物質,氦?碳?硅?只有當它核心的可聚變材料耗盡,只留下了鐵、鎳和鈷的時候,參宿四才會爆炸。

澳大利亞國立大學(ANU)的一個研究小組,通過恆星演化、流體力學和數學建模分析了參宿四,得出它正處在燃燒氦的階段的結論,因此,參宿四至少還可以存在個100萬年。

而且,即便參宿四爆發了,大家也不用擔心,因為參宿四的自轉軸與太陽系方向仍然有30多度的差異,磁極發射的超強射線不會射向地球。所以呢,擔心參宿四引發生物大滅絕的朋友們,可以安下心來了。

好了,今天的分享就到這裡了,未解之謎,我是扶搖,我們下期再見。

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責任編輯:李梅#

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