黑洞为何要吞噬恒星(太阳的未来如何)

1月12日,美国航空航天局(NASA)公布了哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)详细记录一颗恒星被黑洞吞噬的最后时刻的视频。

视频显示,一颗恒星经过位于星系中心的超大质量黑洞附近,其外部气体被被黑洞的引力场所捕获,随后整体被黑洞强烈的潮汐力“撕碎”。最终,恒星残骸被黑洞拉入其形似“甜甜圈”的圆环轨道,释放出大量的光线和高能辐射。

这被称为“潮汐瓦解事件”(tidal disruption events,简称TDE)。

黑洞为何要吞噬恒星(太阳的未来如何)(1)

上述示意图展示了黑洞吞噬经过其附近的一颗恒星的过程。来源:NASA

对于任何一个中心有一个静止超大质量黑洞的星系来说,大约每10万年才会发生几次恒星被“撕裂”的情况。

同样作为恒星,太阳的未来会如何?

从1.5亿千米远的地方看,太阳似乎是一个强大而稳定的存在。它每天都升起,不间断地向我们释放着赋予生命的能量。

但物理学家对太阳的看法截然不同。对物理学家来说,太阳是一颗不断爆炸的核弹,这个动荡的过程释放出大量能量,仅靠太阳引力的力量控制。在这种令人难以置信的现象背后,存在一些结束它的机制。太阳的物理学揭示,它灿烂的日子总有一天会结束。

这种结束会在短期内发生吗?还是说我们有数十亿年时间来计划?要了解这些,我们必须先回到它“出生”的时候。

作者| 豪尔赫·陈(斯坦福大学机械工程博士)、丹尼尔·怀特森(加州大学尔湾分校教授)

译者 | 邓舒夏、尔欣中、苟利军

编辑| 谢芳瞭望智库

本文为瞭望智库书摘,摘编自《人类知道的太多了》(未读2022年10月出品),原标题为《太阳什么时候会爆炸?》,原文有删减,不代表瞭望智库观点。

1

一颗恒星的诞生

(50亿年前,太阳的年龄:0岁)

太阳并不是在某种剧烈的、戏剧性的事件中诞生的,连一声巨响都没有。相反,这是一个气体和尘埃逐渐积累的过程,大多数气体是原有的普通氢元素。自从宇宙存在以来,氢一直是宇宙中最常见的元素。但也有其他更重的元素:在我们的太阳即将诞生时,附近曾经出现死亡的恒星残留物。

这些巨大的旋涡云团被引力慢慢聚集在一起,引力是宇宙中最弱又最持久的力量。不过,这些炽热的旋涡云团中的气体和尘埃粒子移动得太快,无法完全被引力结合在一起,它们也不会形成致密的团块。

黑洞为何要吞噬恒星(太阳的未来如何)(2)

2010年4月22日,美国宇航局就通过SDO捕捉到了一组太阳风暴的画面。

科学家们不确定是什么最终触发了太阳的形成:可能是磁场帮助捕获了这些粒子,并将它们紧密地束缚在一起;可能是某些外部事件,比如来自附近超新星的冲击波,使气体粒子被紧紧地推到一起;也可能只是时间——最终气体云冷却,移动变慢的粒子开始掉向中心。

不管是什么原因,足够多的东西最终聚集在一起,一个失控过程开始了。气体和尘埃聚集在一个地方,产生更强的引力,吸引更多的气体和尘埃,然后又产生更多引力,以此类推。

最终,足够的气体和尘埃聚集在一个地方,形成了恒星的开端,此时才是气体真正开始升温的时刻。

一颗恒星诞生了。

2

聚变向外推

(49亿年前,太阳的年龄:1亿岁)

大约十万年后,引力完成了将主要由氢组成的巨大云团聚集在一起的任务。起初,单个分子会反抗,它们不喜欢太近地挤在一起,因为它们质子的正电荷会相互排斥。幸运的是,引力从未放弃。

随着时间的推移,累积的巨大质量不断将质子推到一起。如果质子靠得足够近,它们就会克服斥力,开始相互吸引,这是因为另一种力开始发挥作用:强核力。

在长距离上,强核力的威力不是很大,但在短距离上,它比使质子分开的电斥力强得多。一旦这种强力将质子聚集在一起,令人难以置信的事情就发生了:核聚变。

这两个氢原子的原子核贴在一起,再经过几步,最终会形成一种新元素:氦。

几个世纪以来,人们一直试图将一种元素转化为另一种元素(通常是铅转化为黄金),但一直失败,因此称为“炼金术”的全部努力都被认为是胡扯。结果证明,在特殊情况下还是有可能的,比如位于太阳的中心——只在质量足够产生压缩质子所需的引力时,这种聚变才会发生。如果只有木星程度的质量,那么只能变成一颗行星。如果木星的质量变成它现在的一百倍,它的核心就会开始聚变,变成一颗红矮星。

氢聚变为氦的惊人之处在于,这个过程会释放出大量能量。产生的氦的质量实际比原来氢原子的质量小,所以额外的质量被转化为能量,然后被中微子和光子带走。如果对建立原子键可以释放能量感到困惑,只需想一想相反的情况:打破原子键通常需要吸收能量。

这个简单的机制照亮了整个宇宙,因为聚变发生在无数恒星内部,所以我们不必生活在黑暗的虚空中。引力使这一切成为可能,它将不情愿的质子推到一起,直到它们聚变。

但现在出现了强烈的反弹。

聚变反应释放的能量会迅速冲出来,把一切向外推,并阻止引力进一步将质子挤压到一起。突然之间,一场史诗般的拉锯战发生在两种宇宙力量之间:一种是将一切挤压在一起的引力,另一种是聚变释放出的将引力向后推的能量。数十亿年间,这两种力量在太阳这里僵持着。

3

漫长而缓慢的燃烧

(从49亿年前到未来50亿年后,太阳年龄:1亿到100亿岁)

现在,太阳的处境依旧如此,是两种强大力量——引力和聚

变的活跃“战区”。

当我们抬头仰望(不是直视)太阳时,看到的是一个同时爆炸和坍塌的巨型球体。实际上,我们很难准确了解太阳内部正在发生事情的规模。在聚变的核心之外,有一个厚度达到56万千米的炽热且在翻腾的等离子体层,核心产生的光子在这些层中不断反弹,直到大约5万年后,核心产生的能量终于自由地迸发到太空中,再过大约8分钟,它们中的一些抵达地球,给我们带来阳光。

在过去的49亿年里,太阳一直以这种方式燃烧;在未来的50亿年里,它还将继续这样做。不过,引力和核聚变之间的平衡不会永远持续下去。悄悄地,恒星内部的时钟已经开始倒计时了。

尽管引力很弱,但它很无情,它会永远持续地吸引恒星内部的所有物质。而聚变需要燃料(氢)并产生废物(氦),这限制了核聚变的持续时间。起初,氦聚集在恒星中心,在那里慢慢积累,不会产生任何反应。但最终,核聚变将开始改变这颗恒星。

氦的密度比氢大,因此核心变得更重,增加了施加在现在主要位于核心区之外的氢的引力。因此,外层会发生更多聚变反应,这使太阳更热、更亮、更大。这些反应增长缓慢:每过1亿年,太阳的亮度就增加1%。但加在一起,40亿年后的太阳亮度将比今天高出40%,这会导致我们的海洋沸腾。

聚变越来越热,太阳变得越来越大。核聚变似乎正在取胜,但它消耗燃料的速度也越来越快,最终会崩溃。

4

在晚年变得更大

(未来50亿到64亿年,太阳的年龄:100亿到114亿岁)

引力和核聚变之间的斗争持续了数十亿年,核聚变似乎占据了上风。核聚变开始的100亿年后变得非常强大,它实际上甚至逆转了引力,将太阳外层的氢层向外推。

到那时,大约50亿年后,太阳的大小将增长到现在的200倍,地球和地球轨道以内的所有行星都将被太阳包裹其中。太阳的大部分将是蓬松的氢外层,相较太阳的其他部分,氢外层的温度较低,但是按照地球的标准,这将是令人无法忍受的高温。在内太阳系的任何地方,生命基本都不可能存在。

在将引力击退后,核聚变因为延展范围过大开始衰减,但在最终屈服于引力之前,聚变还留了最后一招。

5

最后一次闪光

(未来64亿至65亿年,太阳年龄:114亿至115亿岁)

到了114亿岁(64亿年后),太阳将燃烧完核心中的所有氢,为其提供动力来与引力作斗争的燃料耗尽。虽然聚变可以在核心周围的氢层中继续,但它不能再抗衡核心区引力所产生的压力。

不过,核聚变还没有完成。当引力将氦核压缩得如此致密,原子被挤压在一起时,氦的聚变就开始做与氢相同的事情。瞬间,氦原子将聚变结合成更重的元素,主要是碳。这是一次字面意义上而非比喻性质的“一闪”。被点燃时,氦聚变释放出的光比得上整个银河系的光。幸运的是,它发生在太阳内部,所以太阳辐射不会把人类在木星卫星的殖民地烧掉。

聚变反应产生的碳集中在核心,使我们的太阳成为一个由碳、氦、氢组成的“三明治”。

在更大的恒星中,循环将继续,产生更重的元素:对大质量恒星来说,核心处的压力变得极大,因此碳聚变为氧,氧又聚变为氖,如此继续。每一次聚变都会更快,但在最大的恒星中,聚变会持续到产生铁为止,因为铁无法自然聚变,所以是聚变的尽头。

但是,我们太阳的质量不足以聚变碳,所以氦和氢最终被耗尽,太阳则不了了之。

这个氦聚变阶段从突然爆发开始,持续时间不长——虽然太阳会燃烧100亿年的氢气,但它只会燃烧约1亿年的氦气。

6

木星发疯了

(65亿年后,太阳年龄:115亿岁)

当所有燃料耗尽时,聚变就会逐渐停止。太阳的外壳层将抛射出来并形成星云,星云是未来形成行星的原材料。核聚变减弱时,引力继续作用于核心,将剩余的物质聚集成一个非常炽热、密度极高的天体,称为“白矮星”。

这颗较小的恒星大约是原始太阳质量的一半,但已被压缩成地球大小的球体。

这就把那些在太阳膨胀中幸存下来的外行星推向了危险境地。太阳失去了一半质量后,对木星和外行星的引力就没那么大了,这使气态巨星的轨道外移到之前距离太阳的两倍左右。

考虑到太阳之前的火暴行为,这听起来是个不错的举动,但也使这些行星更容易受到附近经过的恒星的引力拖拽。在许多情况中,木星和土星的轨道会变得更加混乱,将剩下的其他行星(海王星和天王星)弹出太阳系,直到只剩下它们两个。最终只会剩下一颗,很可能是木星,它将是唯一一颗绕太阳死核运行的气体巨星。

此刻,没有任何聚变发生,但白矮星仍然闪耀着光芒,就像一块刚从锻造炉中拿出来的白热金属一样,它依靠自身内部的热量发光,而且会持续很长一段时间。

现在太阳被困在这一步,温度还不够高,不足以启动聚变引力也不足以将原子挤压得更近,将恒星进一步压缩为中子星或者黑洞。

7

末日

(数万亿年后)

一颗白矮星能发光多久?我们真的不知道,因为我们从未见过这样的一颗星变暗。物理学家认为,它可能需要数万亿年才能冷却下来,最终变成一颗黑暗且致密的天体,称为“黑矮星”。但遗憾的是,宇宙现在还不够古老,不足以产生任何黑矮星。

这意味着我们的太阳可能以白矮星的形式存在很长一段时间,甚至数万亿年。尽管它不会像年轻时那样炽热或明亮,但如果我们想放弃木星的临时殖民地并在更近的地方定居,它可能还足够温暖,可以维持人类的生命。

当我们坐在白矮星的余烬周围时,人类也许会回想起太阳正常燃烧而我们认为这理所当然的时代,并且讲述那个时代生活的样子。我们会回忆起它内部那持续不断的爆炸,和似乎会永远继续下去的阳光灿烂的日子。

来源: 新华社

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