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行星最终以什么方式终结?恒星的3种结局,非常震撼

众所周知,任何生命体都有生命终结的时候,尽管宇宙中的天体并非生命体,它们也有终结的那一天。地球上的生物体生命结束后,很多时候会留下一些痕迹,例如躯体印在泥土中形成了化石、尸体分解后剩下的骨骸等等。那么宇宙里的天体终结后,是否也会留下痕迹呢?在过去几十年里,天文学家一直在探讨这个问题。

行星最终以什么方式终结?恒星的3种结局,非常震撼

前段时间,国外科学家公布了一种新的方法去寻找太阳系外的行星,然而这种方法的目的不是寻找还“活着”的行星,而是寻找已经“死去”的行星。科学家认为,伴随着恒星系统出现剧烈的变化,其中的行星往往无法独善其身,因此要研究行星是如何被摧毁的,需要先研究恒星是如何终结自己的。

什么是主序星?

根据科学家长期的研究,恒星分为两类,分别是稳定星和不稳定星。稳定星指的是处于流体静力学平衡和热力学平衡状态的恒星,在这种状态下的恒星内部任何一个区域都同时受到引力和压力的平衡,因此它内部传输到表面的能量与表面辐射损失的能量也是相平衡的。稳定星的光谱、温度、光度等保持相对不变的状态。

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在稳定星范畴中,主序星是最常见的,这是大多数恒星都要经历的一个阶段,太阳目前就处于主序星阶段。研究表明,主序星是一颗恒星最稳定的阶段,而它处于这个阶段的时间占到了恒星总寿命的90%左右,相当于人类的青年和中年时期。不同质量的恒星停留在主序星的时间长度不同,有研究表明质量大的恒星的主序星阶段通常会比较短。

而质量小的恒星的主序星阶段通常会持续较长的时间。以太阳为例,太阳的主序星阶段大约能持续100亿年左右,如今它的主序星阶段已经过去了一半。如果有一颗质量只有太阳一半的恒星,那么它的主序星阶段至少会持续200亿年。与此同时,恒星的定义有一定的质量限制,最大的恒星质量不能超过150倍太阳质量,最小的恒星质量不能超过0.08倍太阳质量。

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质量大的恒星之所以会有较短的主序星阶段,是因为质量越大,恒星就越不稳定,强大的辐射压力会导致恒星外层大气被吹跑。由于恒星的内部时时刻刻都在发生热核反应,因此当其内部的化学成分以及能源机制发生较大变化时,恒星就准备脱离主序星。当恒星走出主序星阶段后,迎接它的是不同的结局。

如果恒星的结局是白矮星,周围行星可以幸存吗?

上文介绍到,处于主序星阶段的恒星可以靠内部热核聚变所产生的辐射压力来对抗自身的引力,从而维持自己稳定的形态。但如果内部的核燃料被消耗殆尽,热核聚变无法继续下去,那么恒星可能会发生坍塌。但这还不是恒星最终的结局,因为有两种力可以阻碍恒星的坍塌,分别是电子简并力和中子简并力。

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电子简并压力是物理学家泡利在1925年提出的,他认为原子内的电子不匀速有相同的运动状态,具体描述是:如果一个原子内的电子占据了所有可能的状态,那么这些电子会形成一种力来阻碍外来的电子进入这一空间,泡利将这种力称为“电子简并压力”。但当电子被压入原子核,并与质子形成中子后,电子简并压力就不存在了。

这里就引出了恒星结局的第一个可能性,即演变成白矮星,然后最终演变成黑矮星。白矮星之所以可以继续稳定存在,是因为其内部的电子简并压力和自身的引力形成了抗衡的状态。而白矮星的前身主序星内部充满了等离子体,这些等离子体形成的电子简并压力非常庞大,足以和恒星庞大质量导致的引力所抗衡。

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恒星进入白矮星阶段后,内部的热核聚变就基本停止了,它也不会再对外辐射能量,这个时候的白矮星对周围的行星可以说是没有伤害的,但是在恒星变成白矮星之前,周围的天体就已经覆灭了。原因是恒星演化到末期会逐渐膨胀,变成一颗红巨星,红巨星的膨胀会吞噬最近的行星,它最后还可以通过爆炸毁灭周围的行星,而爆炸后内部的白矮星就出现了。

如果恒星的结局是中子星,周围行星会受到什么影响?

有两种力可以在恒星演化末期对抗引力导致的坍塌,一种就是上面已经讲到的电子简并压力,以这种力继续维持平衡状态的天体就是白矮星。另一种则是中子简并压力,以这种力继续维持平衡状态的天体就是中子星。那么什么是中子简并压力呢?研究发现,电子简并压力是具有上限的,一旦引力坍缩的力度超过了这个上限,电子就会被压入原子核,与其中的质子形成中子。

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这时候虽然电子简并压力消失了,但是中子与中子之间的紧密挤压导致了中子简并压力的产生,它可以继续支撑天体引力坍塌。1931年,美国天体物理学家钱德拉·塞卡发现白矮星的质量存在上限,即1.44倍太阳质量,超过这一极限后电子简并压力就会消失,取而代之的是中子简并压力,后世科学家将该极限称为“钱德拉塞卡极限”。

从恒星到白矮星,天体的体积缩小尺度超过一半,从白矮星再到中子星,天体的体积再一次缩小,但是其质量基本没有太大的变化。这就导致了一颗中子星的直径只有10几公里,但它的密度可以达到每立方厘米10亿吨,这导致了中子星的自转速度极快,一个周期只需要七百分之一秒,进而形成脉冲星或磁星。

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如果恒星发展到了中子星阶段,那么其周围的行星虽然不会被直接吞噬,但会被中子星强大的引力吸引过去。如果没有足够的外部引力与中子星的引力抗衡,那么天体最后会撞击在中子星表面。

如果恒星最终变成了黑洞,周围行星会怎样?

恒星发展到白矮星和中子星阶段时,其内部的热核聚变已经完全停止了,但它的演化还在持续,中子星后可能就是黑洞了。1939年,著名物理学家奥本海默与加拿大科学家沃尔科夫提出了中子星的质量存在上限,现今科学家将该极限称为“奥本海默极限”。奥本海默和沃尔科夫认为,一旦中子星的质量超过这个上限,那么其内部任何力都无法与引力抗衡。

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科学家认为,奥本海默极限难以确定,但一般是太阳质量的两三倍左右。理论上,黑洞是宇宙中最神奇的天体,它的体积几乎为零,但拥有无穷大的密度,换而言之黑洞就是一个奇点。黑洞存在视界范围,任何出现在视界范围内的物质都会被黑洞引力吞噬,至于吞进去的物质最终会变成什么,流向哪里,目前的科学理论还无法回答这些问题。

一旦巨大质量的恒星一步步从主序星演变成白矮星,再从白矮星演变成中子星,最后从中子星演变成黑洞,那么其周围的天体都无法逃脱被吞噬的命运。当然,并非所有恒星都有能力演变成黑洞,小质量恒星通常只演变到白矮星就结束了,质量再大一点的恒星可以演变到中子星,超大质量恒星则有机会变成黑洞,因此我们并不用担心太阳未来会变成黑洞。

如何看待恒星和行星的毁灭?

曹操一首名诗《龟虽寿》中的第一句依然传诵至今:“神龟虽寿,犹有竟时。腾蛇乘雾,终为土灰。”短短的16个字,就精辟地总结出了生命都会有总结的时候,神兽也是如此。恒星的寿命固然比地球上任何一种生物都要长,也比大多数行星的寿命长,但它始终也有“死去”的时刻。

行星最终以什么方式终结?恒星的3种结局,非常震撼

和地球生命的消逝不同的是,恒星的死去会为新一代恒星的诞生提供动力,因为超新星爆发所产生的冲击波会导致星际介质出现极致压缩,进而促使分子云坍缩,最后触发恒星的形成。由此看来,恒星之死只是它自身的终点,却是其它恒星诞生的起点。相比之下,行星的毁灭则显得有些默默无闻,它们的遭遇与地球上的生命更相似。

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地球上任何生命逝去后只剩一具遗体,而遗体最终还是会回归自然。行星毁灭后所产生的碎片、尘埃也会再次进入星际空间,经过漫长的飘荡后可能成为其他天体形成的基础物质,也可能一直以碎片尘埃的形式存在着。

因此天文学家可以通过寻找太阳系外的行星碎片,以探究它们过去经历了什么,从而揭开宇宙发展的一部分历史。需要指出的是,人类在宇宙面前还是十分渺小的,因此我们应该时常保持敬畏之心,对未知保持好奇心。

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