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地球未来的天空中会出现第二个“太阳”吗,这个要问问参宿四
2017-08-0644评

宇宙中的万事万物都有其发生、发展和死亡的过程,即使是万物赖以生长的太阳也无法幸免。在每个夜空中的点点繁星,都是一个个的“太阳”,它们是如何生成的呢?

在宇宙大爆炸 38 万年后,就开始形成了最轻的物质——氢元素,

它占了宇宙物质的 70%。氢气在自身引力的作用下变成巨大的氢云,逐渐形成团块,进而收缩成恒星,此时其星核的温度已高达 107K。这一高温从何而来?无非是巨大尺度的氢云变成相对来说小得多的“太阳”,使引力能转化成热能,从而引发氢的热核聚变。核聚变产生的高温使星球气体膨胀,抵制了恒星自身物质的引力收缩,使得恒星保持稳态。恒星的氢燃烧历时越长,其形态也越稳定。天文学家把恒星演化的这一时期,称为它的主序星阶段。

氢核聚变成氦后,中心成了一个氦球,由于氦的质量比氢大,故在引力作用下星核日益缩小,密度、温度俱增。直至中心密度达到 104 克/立方厘米(水密度为 1 克/立方厘米),温度上升至 l08℃。此时氦开始燃烧,从而阻止了恒星的进一步塌缩。不过事实上,这时恒星的体积不是缩小,反而扩大了。原来前期氢燃烧时还有一些残存的氢,它们浮在星球的外层,而此时的温度足以点燃氢气,以致它们向外膨胀,形成一个很大的壳层,直至膨胀到原来星体的 10 倍。此时恒星虽发出跟过去同等程度的光,但由于体积的庞大,单位面积的发光度就大为降低,它不再呈太阳般的白色,而是呈红色,故称红巨星。

当一颗太阳般质量的恒星在燃尽氢,继而氦后,由于不产生热压力,也就无法阻止其自身的引力塌缩。它逐渐收缩,变成了一颗微弱的白矮星。

至此,它不再收缩,这是由于星体物质越挤越紧,电子紧挨在一起,最终产生了电子简并效应,它挡住了引力的向心压力,从而保持住白矮星形态上的平衡。这颗星将一直存在下去,慢慢地散发其热量,直至变成一颗完全冷却的星体——黑矮星。不过宇宙中还未出现过这样的星体,那是因为冷却所需的时间远比目前宇宙的年龄还要长。

但是质量大于太阳 5 倍的恒星,其归宿就很不一样了。质量大引力就强,此时,电子简并效应也顶不住引力,它就不能稳定在白矮星的形态上。随着星体的塌缩,温度和压力皆进一步升高,此时星体中心进行着碳 氖、镁、氧硅、硫的聚变。在这一进程中,会产生爆聚核反应,从而出现大爆发,这也就是超新星爆炸。

就在爆发前的一个短暂时刻,星核物质受到极大的推挤,它们的中子皆被挤入原子核内,与质子进行逆β衰变而生成中子。此时,星体的中心物质皆由中子组成,中子的简并效应顶住了引力的进一步塌缩,星体就稳定在中子星形态上。若原恒星的质量远大于 5 个太阳,那么整个星体自身的引力塌缩,即使是中子简并效应也无济于事,它就一直塌缩下去,直至成为外面围着一个视界的点,称为黑洞。

由于黑洞的极大引力场,任何物质(包括光)一旦落入视界之内,就永远无法外逸。这样,黑洞就成了一个与外界孤立的世界。后经霍金研究,黑洞物质经坠道效应不断逸出,此称霍金效应。由此可以看出,大质量恒星的最终命运是致密天体:白矮星、中子星和黑洞。前二者皆已获得观察的支持,但黑洞至今也只有间接的观测证据。

现在让我们来谈一下本文的主人公——参宿四。

它是天空中最亮的红超巨星,它的直径是太阳的 700 倍,它发出的光是后者的 10000 倍,称之为超巨星,确实当之无愧。但其表面温度在 4000K 以下,而太阳约为6000K。

该星有一奇特之处,其亮度呈周期性(6 年)变化,明、暗相差很大。原来它的大气很不稳定,处于脉动状态。当恒星变小时,其大气就会吸收近旁经过的能量,这样它就升温而膨胀;大气因膨胀而变得稀薄,能量也就逃逸,气体重新变冷而收缩。

像太阳这类的主序星,其中心的核聚变很稳定,而对参宿四深处究竟发生着什么过程,天文学家不很清楚,但有一点可以肯定,那就是它的演化过程要比太阳快。它先前是一颗灼热、明亮的蓝星,仅仅在几千万年的时间之内,就演变成超巨星状态。天文学家早就观测到,它的大气正以 15 千米/秒的速度向外运动,大量的气体在恒星之外形成了一个包层 ——一个围绕着恒星的气壳。

天文界对此气壳做了长期的观测研究,结果发现气壳边缘的物质一直延伸到 10000 亿千米之外。他们还发现,它拥有二颗伴星,它们比参宿四暗得多,一颗离它很近,其轨道穿越参宿四稀薄的外层大气;一颗较远,离它约 48 个天文单位。

天文学家预言,经过几百万年,若它很快地丧失掉其外部的气体,那么暴露出来的星核将很快冷却下来,它将因此变成一颗白矮星;若外部的气壳仍保留着,那么星核中的核聚变仍将继续,并日益走向高温、高密,最终有可能激发一场大规模的爆炸,成为一颗超新星。

最近,澳大利亚南昆土兰大学的布拉德·卡特宣称,参宿四可能在今后 100 万年内的任何时刻发生超新星爆发,最早可能在 2012 年之前,也就是说我们有可能在今年看到这个千载难逢的宇宙奇景。届时,我们将看到自地球诞生以来最耀眼的光芒,黑夜将如同白昼,就像天空中出现了二个太阳。这一过程将持续一周或更长的时间。

如若如此,人类岂非要遭殃了么?回答是否定的。天文学家说,只要超新星爆发离地球有几光年之远我们就不会受到伤害,而参宿四离我们是 640 光年!再说,超新星爆发的能量辐射主要是通过中微子释放。理论家计算超新星爆发一般将发出 1058 个中微子,每个中微子携带着 1000 万电子伏特的能量,当时落入地面的中微子通量,约为 10l0 个/平方厘米。据此,地球上每个人体都会通过 1013 个中微子。可是中微子跟物质的作用太微弱了,故没有人能感觉到它们。


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