天文學家研究了15000顆白矮星後得出結論:太陽最終會變成晶體球

天文 我們的太陽 黑洞 蓋亞 銀河 地球 英國 宇宙 寰宇科學新觀察 2019-04-10

千萬年來,我們人類就不斷在探索中追問,我們的太陽是怎麼形成的,在將來又會如何熄滅直至消失的?最近,歐洲航天局的科學家們似乎找到了這些問題的部分答案。他們分析了從銀河系測繪衛星蓋亞(Gaia)捕捉到的千萬顆白矮星的數據後,預言了太陽的最終宿命——它最終會變成一顆晶體球。

天文學家研究了15000顆白矮星後得出結論:太陽最終會變成晶體球

根據天文學家們之前的無數次天文觀察和數學推演,我們得知銀河系中97%的恆星,包括太陽,都會變成白矮星。只有少量質量超大的恆星才會在經歷超新星爆炸後最終變成中子星或黑洞。然而白矮星仍然不是這些恆星的最終宿命,它們還會經歷幾十億年的結晶過程,繼續消亡。

天文學家研究了15000顆白矮星後得出結論:太陽最終會變成晶體球

上圖是四種不同質量級別的恆星的演化過程。質量最大的藍色超巨星會經歷超新星爆炸最終變成黑洞或中子星;而大多數跟太陽質量相當的恆星,最終會變成白矮星;紅矮星也會變成白矮星;而褐矮星則會逐漸變暗消亡。

白矮星內部物質的凝固或結晶過程,在50年前就有科學家預言過了,但沒有人能從天文觀察中給出最直觀的證據。但直到蓋亞的到來,天文學家才能夠精確地觀察到足夠多的白矮星,從而揭示這一過程的模式。

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“以前,我們的望遠鏡只能觀察到幾百個白矮星,而且其中很多都是是成簇排列的,它們的年齡都很相近,特徵都很相似,我們很難用充足的數據來說明事實。”來自英國沃裡克大學的皮耶-埃曼紐爾·特倫布萊(Pier Emmanuel Tremblay)說,他最近在《自然》雜誌上發表了這一研究成果的相關論文。

“有了蓋亞,我們現在有了數十萬個白矮星的距離、亮度和顏色數據,可以在銀河系外盤中找到一些相當龐大的樣本,從這些樣本中我們能找到各個質量級別和跨越各個年齡段的白矮星,我們有充足的數據來說明一切。”正是在對這些恆星距離的精確觀察中,蓋亞取得了突破性進展,使天文學家能夠以前所未有的精度觀測它們。

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白矮星是類似於太陽的中等大小恆星的殘骸。一旦這些恆星燃燒了其核心的所有燃料,它們的外層就會脫落,留下一個開始冷卻的熱核心,即所謂的白矮星。這些超高密度的殘餘物在冷卻時仍會發出熱輻射,天文學家們將其視為相當微弱的物體。白矮星的冷卻時間長達數十億年。一旦它們達到一定的溫度,恆星核心內最初的熱物質就開始結晶,變為固體。這個過程就像水在達到零攝氏度後開始結冰一樣,這些白矮星會在1000萬攝氏度開始結晶。

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在這項研究中,天文學家分析了蓋亞觀察到的距離地球300光年內的15000多顆恆星的殘骸,並能夠將這些結晶的白矮星視為一個相當獨特的群體。

在這個持續數十億年的結晶過程中釋放的熱量似乎減緩了白矮星的進化:死恆星停止變暗,因此看起來比實際年輕20億年。這反過來又影響了我們對這些白矮星所屬恆星群的理解。並非所有白矮星都以相同的速度結晶。更多的大質量恆星冷卻得更快,將在大約10億年內達到結晶的溫度。質量較小的白矮星,冷卻速度就較慢,需要60億年才能變成死的固體球體。

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我們的太陽大概會在50億年後耗盡核心的燃料,然後變成一顆白矮星。天文學家估計在這之後還要經歷50億年的結晶過程,最終變成一顆晶體球。

從這些天文事件來看,無論從空間尺度還是從時間尺度來說,我們人類確實是茫茫宇宙中的滄海一粟。

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