寰球恒星教育、重慶環(huán)球教育

作者：文/虞子期

縱然宇宙處在時(shí)刻變化之中，但人類的求知欲望和探索能力也在與日俱增。雖然，在這個(gè)神秘而龐大的宇宙世界里，還有很多科學(xué)家們至今仍無(wú)法解答的疑惑。但也通過(guò)時(shí)間和偵探，對(duì)地球之外的世界有所了解，比如行星系統(tǒng)的生和死。行星和恒星是如何形成的？我們又是怎么來(lái)到這里？以及在一顆恒星的生命周期中，會(huì)經(jīng)歷什么？當(dāng)行星死亡之時(shí)，又會(huì)遭遇怎樣的境遇？

即將誕生的恒星和行星，都始于一團(tuán)難以想象的“冷云”，它包含了能萌發(fā)全新世界的種子。氫氣和氦氣分子因?yàn)橹亓Χ鴾p速，并聚集在一起；鐵、硅酸鹽和富含碳的材料混合形成了灰塵，當(dāng)塵埃粒子旋入這些物質(zhì)的中心結(jié)，會(huì)將一些氣體的能量傳送回太空，云會(huì)因此變得更冷。伴隨著更多的塵埃和氣體被吸入其中，云的“口袋”也變得更厚，此時(shí)，一個(gè)明亮的“熱球”正在它的中心開始逐漸形成，并且在這場(chǎng)重力和氣體、磁場(chǎng)的壓力對(duì)抗中，重力正在取得屬于自己的勝利。

當(dāng)“嬰兒”時(shí)期的星星形成后，星系數(shù)十億顆恒星的引力拖拽，可能加速并震動(dòng)了天然氣體，又或是兩個(gè)云的相互撞擊導(dǎo)致了某些氣體的聚結(jié)，那些變成扁平狀結(jié)構(gòu)的向內(nèi)螺旋的材料，就成為了吸積盤。當(dāng)然，也可能是因?yàn)橐活w巨大恒星的爆炸，才導(dǎo)致了形成的恒星云被強(qiáng)烈的物質(zhì)風(fēng)吹入，并造成了新生星星的死亡。在同一個(gè)過(guò)程中，很可能會(huì)發(fā)在同一個(gè)分子云中的幾十個(gè)、甚至是幾千個(gè)地方，用通俗的語(yǔ)言可以表達(dá)為：分子云就像地球云，雨滴就好比是星星，當(dāng)來(lái)自這些云層的氣體坍塌碎裂之后，在0到10萬(wàn)年的時(shí)間里，會(huì)形成大批的“嬰兒”星星，這也是為什么星星經(jīng)常會(huì)形成一個(gè)較大的群體。

在銀河系和其他大多數(shù)的星系中，最可能形成的恒星類型，大小是做不到自我維持的。紅矮星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的十三分之一到二分之一，代表了銀河系四分之三的恒星，因?yàn)槠淙紵徛运鼈兊膲勖鼘⒈痊F(xiàn)在的宇宙更長(zhǎng)。相對(duì)更罕見(jiàn)的類太陽(yáng)恒星數(shù)量，仍然占到星系的8%。一顆年輕的恒星被稱為“原恒星”，直到它可以通過(guò)氫聚變反應(yīng)為自身供電。要成為一個(gè)真正的恒星，它必須自發(fā)地融合氫原子形成氦，以釋放出巨大的能量。穩(wěn)定恒星核心，使其停止收縮的整個(gè)過(guò)程，可能需要大約4千萬(wàn)年。而最終形成的是什么樣的恒星？則取決于其可用的材料。

新生的恒星，可以從周圍旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃中獲取自己需要的養(yǎng)分，然后射出猛烈的磁性加速物質(zhì)流，只要沒(méi)有另一個(gè)恒星系統(tǒng)和它足夠近，并發(fā)生相互作用，那么在整個(gè)生命周期中，同樣的旋轉(zhuǎn)都可以保留在該系統(tǒng)中。在整個(gè)系統(tǒng)中，主要是由氫氣和氦氣組成，并且，氣體比氣體中的灰塵多100倍左右。塵埃，對(duì)于形成含有碳和鐵等元素的行星而言至關(guān)重要。當(dāng)時(shí)間過(guò)去大約10萬(wàn)年之后，云會(huì)開始變得稀薄，此時(shí)就可以顯示出兩種完全不同的結(jié)構(gòu)。它們是新生恒星，以及蓬松的塵埃盤和彌散氣體。我們還可以通過(guò)螺旋和間隙，以判斷該磁盤中是否由行星形成。

從行星“嬰兒”時(shí)期一開始的螺旋形狀，到行星變大后在磁盤中劃出的差距，科學(xué)家們可以通過(guò)尋找磁盤中的特征，了解可能形成行星的地方。比如，ALMA所研究的神秘系統(tǒng)TW Hydrae。這個(gè)已知的距離最接近的恒星，仍然有一個(gè)距離它175光年的富含氣體的原行星盤；在過(guò)去幾年中，通過(guò)對(duì)HL Tau恒星的研究，也揭示了這個(gè)磁盤中的間隙，使它看起來(lái)像環(huán)，可能是“嬰兒”行星的足跡，當(dāng)時(shí)的這一發(fā)現(xiàn)，也成了該領(lǐng)域的一次重大飛躍。

在磁盤中較冷的地方，冰的微小碎片會(huì)附著上灰塵，骯臟的雪球可以聚集成巨大的行星核心。在這些較冷的區(qū)域，允許氣體分子減速到足以被吸引到行星上的程度。在更加溫暖的圓盤中，巖石行星在冰冷的恒星形成后形成 ，并且沒(méi)有大量的氣體供行星阻礙。科學(xué)家們?cè)东@了年輕行星PDS 70b的罕見(jiàn)圖像，其500萬(wàn)年的歷史，僅占地球年齡的0.1％多一點(diǎn)，它比木星更大，并且仍然可以增長(zhǎng)。在其圓盤上，通過(guò)引力形成了一個(gè)很大的間隙，比我們太陽(yáng)系中任何行星的溫度高。

現(xiàn)在我們所看到的太陽(yáng)系統(tǒng)，只是那些在初始過(guò)程中幸存下來(lái)的東西。在我們歷史的最初幾百萬(wàn)年里，可能有早期的行星實(shí)際遷移并被太陽(yáng)吸收。氣體的存在，有助于固體材料顆粒粘在一起。灰塵團(tuán)從鵝卵石般大小，變成更大的巖石，在這個(gè)過(guò)程中有的分崩離析，但其的一部分卻堅(jiān)持了下來(lái)。這些是行星的基石，有時(shí)也被稱為“星子”。“嬰兒之星”仍在拋出極熱的風(fēng)，被質(zhì)子和中性氦原子的帶正電粒子所控制。行星的形成不到磁盤質(zhì)量的1％，而一旦行星形成，它們就不會(huì)一直停留在原地，并且，每個(gè)行星系統(tǒng)最終都會(huì)像進(jìn)入中年。

如果將我們所在的太陽(yáng)系生命周期比喻為人的一生，那么現(xiàn)在的太陽(yáng)系正當(dāng)中年。在大約一億到十億年的時(shí)間里，行星會(huì)傾向于在它們的軌道上穩(wěn)定下來(lái)，而恒星也不會(huì)爆發(fā)太多。但是，通過(guò)科學(xué)家們對(duì)太陽(yáng)系外的行星的研究發(fā)現(xiàn)，以七個(gè)地球大小的巖石行星而聞名的一顆恒星TRAPPIST-1，形成于54億至98億年前的某個(gè)地方，大小為太陽(yáng)的9％，是一顆極微弱的M矮星，但它比我們的太陽(yáng)系更安全。并且，它的所有行星都非常靠近，位于水星軌道內(nèi)。

在我們的太陽(yáng)系中，已無(wú)法找到大小與木星相同或更大、軌道距離主星更近，并且經(jīng)歷灼熱高溫的熱木星。但是，我們?cè)究赡苡幸粋€(gè)被太陽(yáng)吞噬的熱木星，但很多星球會(huì)在其他甚至更老的系統(tǒng)中幸存下來(lái)。比如，科學(xué)家預(yù)計(jì)年齡為55億年的HAT-P-65b和預(yù)估年齡為47億年的HAT-P-66b。在圍繞其他恒星的其他外來(lái)行星中，包括達(dá)到地球質(zhì)量10倍的大型巖石行星 “超級(jí)地球” ，以及被稱為“迷你海王星”的小型氣體行星。在我們太陽(yáng)系的時(shí)代，現(xiàn)在看上去是相對(duì)平靜的，但隨著恒星逐漸變老，最終可能會(huì)消滅它的一些行星。

從現(xiàn)在開始，大約60億年后，我們的太陽(yáng)會(huì)進(jìn)入紅巨星階段，核心逐漸耗盡燃料，隨著氫氣融合減緩，核心將再次收縮。越來(lái)越小的核心會(huì)加熱，然后啟動(dòng)另一輪核反應(yīng)，以將氦氣融入到較重的元素。較熱的核心使氫熔化在核心周圍材料的“殼”中，恒星深處產(chǎn)生的額外熱量，將導(dǎo)致其外層氣體膨脹。在強(qiáng)烈的陣陣爆發(fā)中，垂死的恒星拋出外層的物質(zhì)，紅巨星階段的結(jié)束，通常也是恒星生命中相對(duì)更暴力的時(shí)期。

當(dāng)紅巨星失去質(zhì)量時(shí)，恒星在其行星上的引力會(huì)變得更弱，因此它們的軌道將會(huì)擴(kuò)展，行星的軌道也可能變得不穩(wěn)定。在我們自己的太陽(yáng)系中，太陽(yáng)會(huì)膨脹得太多，以至于它會(huì)融化、蒸發(fā)，并吞噬一些內(nèi)部巖石行星，太陽(yáng)將會(huì)甩掉大約一半的質(zhì)量。由此，外行星的軌道也會(huì)向外漂移，并在此處沉降兩倍，當(dāng)接近燃料燃燒壽命的終點(diǎn)，太陽(yáng)將變得更加明亮，且變得更大，它的直徑會(huì)變得很大，以至于可以從幸存星球的表面填滿天空。那么，太陽(yáng)和星星會(huì)像火焰爆炸般的一樣死亡，還是會(huì)因?yàn)樾⌒〉膯柩识罎ⅲ?/p>

當(dāng)前紅巨星的核心耗盡了所有的燃料，并將所有的氣體排出之后，剩下的密集恒星煤渣被稱為白矮星。白矮星被認(rèn)為是“死”了，因?yàn)樗鼉?nèi)部的原子不再融合，無(wú)法產(chǎn)生恒星能量，但為它太熱了，所以仍然呈現(xiàn)出“閃耀”的狀態(tài)，最終，它會(huì)冷卻并從視野中消失。宇宙中幾乎每顆恒星最終都會(huì)經(jīng)歷，從紅巨星到白矮星的過(guò)渡。我們的太陽(yáng)，將從現(xiàn)在開始的大約80億年后到來(lái)。盡管極低質(zhì)量的恒星，需要比現(xiàn)在的宇宙時(shí)代更長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)。當(dāng)然，行星也可以出生在超新星。

如果一顆恒星非常巨大，它可能會(huì)沿著不同的路徑，擴(kuò)展成一顆超巨星，并最終爆炸成超新星，來(lái)自超新星的沖擊波可以觸發(fā)新恒星的形成，在死亡之后創(chuàng)造新的生命。雖然，在超巨星周圍，到目前為止沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有一天會(huì)爆炸的行星。但這并不意味著他們不在那里，雖然超巨星是非常罕見(jiàn)的，但它的耀眼程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何軌道物體。超巨星包含多層不同種類的原子融合，能夠產(chǎn)生巨大的能量輸出，只是我們的技術(shù)可能還不夠先進(jìn)，所以暫時(shí)無(wú)法找到它們的行星，超級(jí)巨星可能稍縱即逝，但他們的爆炸在這個(gè)事件中起著重要作用。