当太阳走向终结…
2018/5/23 17:00:00 中国科普博览

     本文授权转载自公众号“原理”(ID：principia1687)

     作者：不二北斗

     在宇宙这个舞台上，总是上演着许多无与伦比的演出。我们时常为多样及复杂的物质和能量是如何聚集在一起，并展现出不同的形态而感到惊讶。但同时我们也深知，万事万物都是有时间限制的：它们注定走向毁灭。

     这包括了给予我们温暖且维持着整个星球上所有生命的太阳。太阳不会永远散发着光和热，总有一天，当它耗尽所有燃料的时候，便会在一场炽热的、灾难性的爆炸中迎来生命的终结。当然，我们不必过分忧虑太阳的命运，因为那将发生在非常久远的未来。基于对其它恒星的观测，天文学家估算这将会发生在大约50亿年后。

     但天文学家不确定的是，在太阳的演化末期究竟会发生什么？直到现在，一篇发表在5月7日的《自然天文学》杂志上的论文指出，太阳在它生命的最后将会形成行星状星云。行星状星云标志着所有恒星90%活跃生命的结束。

     绚丽多彩的行星状星云| 图片来源：ESA/Hubble & NASA, ESO, Ivan Bojicic, David Frew, Quentin Parker

     当一颗恒星步入死亡时，它会将大量的气体和尘埃——即它的“包层”——抛射入太空。包层的质量可以达到恒星质量的一半。此时，恒星的核心即将耗尽它的燃料，并将在最终死亡之前逐渐熄灭。到那时，包层会被炽热的核心所发出的高能辐射照亮，并在接下来的一万年里持续散发着光芒。这就是行星状星云可见的原因。有一些行星状星云极其明亮，即使在与之相距数千万光年之远的地方也依旧可见。

     但是多年以来，科学家无法确定的是我们的太阳是否也会遵循同样的命运？

     天文学家曾认为，恒星的质量决定了它能形成怎样的星云，质量更大的恒星会形成更明亮的星云，而质量较小的恒星产生的星云的光芒太过于微弱，以至于无法从另一个星系中观测到。根据恒星模型的预测，只有质量大于两倍太阳质量的恒星才能形成明亮的星云。太阳就是一颗被认为不足以形成可见行星状星云的小质量恒星。

     但是从模型中得到的这一结论与观测结果并不相符：明亮的行星状星云几乎无处不在。例如在根本不存在大质量恒星的古老椭圆星系中，我们也能看到明亮的行星状星云。而且科学家还发现，这些行星状星云的亮度，无论是在有着大质量恒星的年轻旋涡星系中，还是在只有小质量恒星的古老椭圆星系中都一样。数十年来，这种理论与观测之间的矛盾让天文学家倍感困扰。

     为了解决这一难题，研究人员新发展了一种用来预测恒星生命周期的恒星数据模型。该模型可用于预测不同质量和年龄的恒星抛射出的包层的亮度(或光度)。研究人员用它展示了一种新的低质量恒星的演化轨迹，以一种简单的方式解释了困惑天文学家数十年的谜题。

     基于一个新的恒星演化理论，天体物理学教授 Albert Zijlstra 及其同事模拟了行星状星云的形成。这个理论认为，在较小的恒星抛射包层之后，它们核心的温度会升高的比之前想象的快3倍。这使得恒星的核心能在气体还未膨胀到太远之前，将更多的高能辐射输入到周围的星云中，最终形成一个明亮的行星状星云。

     行星状星云 Abell 39的直径约为5光年，距地球约7,000光年。太阳的消亡，或许也会释放出这样夺目的光芒| 图片来源：George Jacoby (WIYN Obs.) et al., WIYN, AURA, NOAO, NSF

     模拟结果显示，质量为太阳质量1.1到3倍的恒星，能产生亮度相近的行星状星云。这一结果解释了为什么在那些包含年龄在70亿年以上的恒星的星系中找到的星云，可以与包含年龄为10亿年的恒星的星系中发现的星云一样明亮。

     Zijlstra 教授补充说：“我们对其余恒星产生的星云的亮度预测则与观测到结果的非常接近。25年后，这个问题终于被解决了!这是一个很好的结果。现在我们不仅可以对遥远星系中年龄长达几十亿年的恒星进行测量(这是一个非常难以测量的范围)；甚至还已经找出了太阳在死亡之后会发生什么!”

     观测到亮度与用新模型计算出的恒星演化结果相一致，这验证了新理论模型的正确性。根据新模型的预测，太阳在其生命的尽头也会形成一个行星状星云，只是它会比较微弱。研究小组还发现，太阳几乎恰好是可以产生一个虽然微弱但仍然可见的行星状星云的最低质量恒星。比太阳再稍小百分之几的恒星都无法产生这样一个星云。此外，利用新的模型，行星状星云的亮度可被有效地用于推导“中年”恒星的形成历史。

     尽管如此，仍有一些谜题仍有待被解决：对于那些拥有恒星年龄在70亿年以上、恒星质量极小的古老椭圆星系，模拟无法产生足够明亮的行星状星云来与观测到的数据相匹配。因此，我们还需要做更多的努力，才能完美地解释为何明亮的行星状星云无处不在。

     参考链接：

     https://www.nature.com/articles/s41550-018-0453-9

     http://www.manchester.ac.uk/discover/news/what-will-happen-when-our-sun-dies/

     https://www.sciencenews.org/article/planetary-nebula-stars-death-mystery?tgt=nr

    

    

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