太陽的一生

太陽自誕生以來,就進入了一個漫長而相對穩定的演化階段。它將沿著這一方向走下去,逐漸演變成一顆紅巨星,以及再之後的行星狀星雲和白矮星。

01

太陽的誕生

太陽的誕生

大約 50 億年前,一顆超新星的爆發擾動了附近的一片分子云,也可以說,它在某個銀河系旋臂中傳遞了密度波動。這種擾動破壞了分子云團的內部平衡,它在坍縮後產生了包括太陽在內的一些恆星。

分子云,有時被稱為恆星搖籃,是極低溫氣體和塵埃的巨大堆積物。它們體積巨大,質量達到數百萬倍太陽質量,而直徑可達數百光年。在這些分子云內部,高密度的恆星物質團塊開始收縮,最終分裂成幾個緻密的區域,每個區域都演變成一顆恆星。最終,分子云演化成一個包含數十到數千顆恆星的疏散星團。在很久之前,我們的太陽就是某個星團的一分子,但隨著時間的推移,星團中的恆星逐漸漂移開來。天體物理學家正在尋找那些很久以前就消失在浩瀚銀河系中的太陽的姊妹恆星。

左右滑動

引力導向的過程

引力導向的過程

太陽周圍的原行星盤:在這幅圖中,原太陽被大量的塵埃和氣體包圍,這些塵埃和氣體隨時可以凝結成星子。星子是太陽系中未來的行星及其他天體的種子。

02

「中年」太陽

「中年」太陽

在太陽的嬰兒期,圍繞它運動的物質盤逐漸演化為其他天體。而當太陽進入中年時,這個圓盤消失,取而代之的是環繞它旋轉的各個行星。

太陽最初的光度比現在要低 30%,根據物理學理論,它的光度應該會隨著體積的膨脹而繼續增加。雖然太陽不再是一顆年輕的恆星,但它目前還不會由於年老而走向衰退。當衰退過程開始時,太陽將經歷劇烈的結構變化,不再像現在那樣釋放能量。

〇 穩定的生命維持劑

太陽已經穩定存在了很長時間。這對地球上的生命來說是一件非常重要的事。地球已經享受了一段漫長而和平的時期,它提供了令人類等物種得以進化的理想條件。這種穩定狀態還將存在幾百萬年,但平靜時期一定不會永遠持續下去。

左右滑動

〇 太陽「波動」

正如地震學家通過研究地球的振動來了解地球內部一樣,太陽物理學家和日震學家也可以用同樣的方法來了解太陽內部。他們分析可探測的太陽振動或太陽光球層的「波」,然後構建計算機模型(如圖所示)。研究發現,這些波的傳播速度比聲音在空氣中的傳播速度快 100 倍。

太陽「波動」計算機模型

太陽「波動」計算機模型

03

成為紅巨星的太陽

成為紅巨星的太陽

當太陽核心的氫燃燒殆盡時,維持其平衡的壓力也會隨之消失。它的核心將開始收縮,釋放出引力能量,而這標誌著這顆恆星開始走向生命的終結。

在太陽誕生大約 100 億年後,它核心中的氫元素將基本耗盡,只剩下太陽內部溫度不足以將其點燃的氦元素。如果沒有氫聚變來抵抗引力,太陽將向內坍縮。隨著密度的增大和溫度的升高,它將啟動核心周圍的氫元素的聚變反應。然後,太陽將膨脹並逐漸冷卻,成為一顆紅巨星。新一輪的活動使它的氦核受熱,一旦核心溫度達到 1 億攝氏度左右,氦聚變將開始並形成碳原子。太陽核心將通過氦聚變繼續燃燒約 1 億年,而外層仍在進行氫聚變,燃燒著氫的外殼會產生一個向外的推力,導致太陽的膨脹。

最後的邊疆:體積暴脹的紅巨星可以大到吞噬離它較近的軌道行星,就像我們的太陽最終會吞噬水星和金星一樣。

〇 宜居帶的演化

在太陽周圍,可以存在液態水的區域從地球一直延伸到火星,但這個區域不會一成不變。一旦太陽演變為紅巨星併吞噬了水星和金星,這個宜居帶將遷移至火星和天王星之間。

宜居帶所佔區域的變化,圖中尺度未嚴格按比例顯示。

04

太陽的歸宿

太陽的歸宿

太陽的質量決定了它的終點。由於太陽是一顆小質量的主序星,因此當它耗盡燃料時,就會變成一片行星狀星雲,環繞著最終將變成白矮星的核心。

太陽獲取能量的過程包括 4 個質子轉變為 1 個氦核的不可逆核反應。在 50 億年之後,太陽將耗盡它的氫燃料,它的中心區域將只剩下氦。由於質子 – 質子鏈反應的消失,它的核心開始向內坍縮。在坍縮過程中,核心的溫度會再次上升,在溫度達到 1 億攝氏度時,氦聚變被啟動並生成碳和氧。一段時間內,太陽將通過這些核聚變獲取能量。但當氦核也燃燒殆盡時,由於太陽的質量不足以引發碳聚變,因此它將失去能量的來源。

〇 沒有外殼的核心

伴隨著氫和氦的兩級核聚變,強烈的太陽風將撕裂太陽的外殼,僅僅留下它的碳氧核心。這個核心將變成一顆非常年輕的白矮星,而以往的外殼則變成一片美麗的行星狀星雲。

〇 生命盡頭

太陽的最後一個生命階段將從它變成一顆紅巨星開始,而當它擺脫掉外層,剩下的核心變成一顆亮度微弱的白矮星時,這個階段便宣告終結。

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生命盡頭

生命盡頭

生命盡頭

〇 太陽的壓軸秀

當太陽的生命抵達盡頭時,它將把大部分氣體外殼拋撒到太空中,形成一片閃閃發光的行星狀星雲。太陽的最後時光,很可能會與蝴蝶星雲(NGC 6302)一樣壯觀絢麗(下圖)。

(略有刪改)

(略有刪改)

作者/譯者簡介

Ignasi Ribas

西班牙空間科學研究所的天體物理學家,也是加泰羅尼亞空間研究所的主任。他還與國際天文學聯合會合作,並一直擔任其幾個部門和科學委員會的主任和成員。

蔣 雲

中國科學院紫金山天文臺副研究員。研究方向:火星、月球及小行星隕石的岩石礦物學、同位素地球化學及年代學。

陳 維

中國科學院紫金山天文臺高級工程師。從事太陽高能物理研究,研究方向:太陽伽馬射線、X射線的理論計算、觀測分析以及空間探測。

輪值主編:杜福君

編輯:王科超

編輯:王科超

本文經授權轉載自微信公眾號:中國科學院紫金山天文臺 作者:鳳凰傳媒蘇科社

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院高能所立場

編輯:若平

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