每週星聞 | 宇宙為什麼沒有坍縮成一個黑洞?

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最古老的星星

在天文學上,氫和氦以外的元素都被稱為金屬——雖然這可能會惹惱你的高中化學老師,但這對天文學家來說意味著:這兩種最輕的元素最先出現在宇宙中

它們是大爆炸的原子殘餘物,構成了宇宙中99%以上的原子。所有其他元素——從碳到鐵再到金——都是通過天體物理過程產生的,比如恆星核心的核聚變、超新星爆炸,以及白矮星和中子星的碰撞。

由於這些天體物理事件在宇宙歷史上都發生過,並且還在繼續發生,因此宇宙中金屬的比例會隨著時間推移而增加。故而,我們對恆星進行分類的方法之一是根據我們在其光譜中看到的金屬含量,也就是恆星的金屬丰度。根據金屬丰度,天文學家將恆星分為三大類。

星族III恆星的藝術想象圖

星族III恆星的藝術想象圖。

https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/has-jwst-finally-found.jpg

星族Ⅰ恆星(比如我們的太陽)擁有最高的金屬含量。它們通常是最年輕的恆星,也是最有可能擁有行星系統的恆星。星族II恆星的金屬含量較少、年齡更大,所以它們中的大多數都是紅矮星。過去有很多大的星族II恆星,但它們早已死亡,只剩下白矮星和中子星。這些死亡恆星的殘餘云為星族Ⅰ恆星的形成提供了原料。

這兩類恆星我們都在銀河系和其他星系中觀測到過。但還有第三種我們從未見過的種群:星族III恆星。它們真的很古老,可能是宇宙中最早出現的恆星,幾乎沒有金屬,簡直像是怪物。這些明亮的藍色氫氦恆星質量是太陽的數百倍,擁有著絢爛而短暫的一生。「曾祖母恆星」通過劇烈的爆炸將第一批金屬拋入太空,早在太陽形成之前就消失了。因此,天文學家研究了一些最遙遠的星系,尋找這些第一代恆星存在的證據。根據最近的一項研究,一個團隊可能借助韋布空間望遠鏡(JWST)首次發現了星族III恆星

該小組觀察了一個被稱為GN-z11的星系附近的光譜線。這是有史以來觀察到的最遙遠的星系之一,其紅移約為z=10.6,這意味著我們在宇宙只有4億年曆史的時候看到了它。資料顯示,其中有塊區域似乎是氫氣和氦氣的混合物,它們被某種東西強烈電離了。不過,目前的研究還不足以證明星族III恆星的存在,但它是一個令人信服的論點。我們需要對這些遙遠的星系進行更多觀測——多虧了JWST,事情開始有眉目了。

來源 / https://phys.org/news/2023-06-jwst-stars-univese.html

/宇宙為什麼沒有坍縮成一個黑洞?

儘管密度巨大,但早期的宇宙並沒有坍縮成一個黑洞——簡單來說,因為沒什麼可坍縮的。

如果你有足夠的毅力,製造黑洞相對來說算簡單的:你所需要做的就是施加足夠的壓力,儘可能地壓縮體積。在低於臨界閾值的某一點上,引力會變得非常強大,以至於壓倒了任何其他自然力,從而形成黑洞。如果我們把你壓縮到原子核的大小,你就會變成一個黑洞,其寬度相當於一個原子核,質量相當於一個人。我們也可以在地球上重複這個過程,創造出一個地球質量、豆子大小的黑洞。

黑洞在宇宙中非常普遍。它們在大質量恆星死亡時自然形成。形成黑洞的關鍵是密度,即需要非常高的密度來產生足夠的引力。雖然現在的宇宙密度並不大,平均密度約為每立方米一個氫原子,但早期的情況卻大不相同。

黑洞的藝術想象圖

黑洞的藝術想象圖。

https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/2023/why-didnt-the-big-bang.jpg

數十億年前,宇宙比現在小得多,這意味著它的密度要高得多。所以人們很自然地想知道為什麼宇宙沒有直接坍縮成一個黑洞。但要形成黑洞,不僅僅是密度的問題,還要考慮密度差。為了感覺到引力,你需要不同地方的密度不同。如果整個體積內的物質數量沒有差異,就不會有任何方向的淨引力。為了形成黑洞,你必須把一堆物質壓縮到一個非常小的體積裡,還要在它周圍留下一堆空的空間。這樣,引力才能發揮作用,黑洞才能形成。

儘管早期宇宙的密度非常大,但它非常均勻,缺乏足夠的差異來觸發黑洞的形成。最重要的是,宇宙一直在擴張。宇宙早期的膨脹阻止了所有物質的坍縮。當然,如果我們的宇宙誕生時含有太多物質,它可能會減緩膨脹的速度。但事實是物質沒那麼多,而宇宙的膨脹能夠稀釋一切,使它永遠不會再坍縮。

來源 / https://phys.org/news/2023-06-didnt-big-collapse-giant-black.html

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鑽石星星,變身!

科學家們發現了一顆白矮星,它似乎正處於結晶成天體鑽石的初始階段

此前有研究表明,如果一顆恆星的燃料開始耗盡,那麼它就會坍塌,然後通常會變成一顆白矮星。當這一過程發生時,它的密度會變大。如果這顆恆星主要由金屬氧和碳組成,那麼它的核心可能會變成一顆巨大的鑽石。當然,這樣的恆星將會非常暗淡。然而,太空科學家不相信有恆星已經完全結晶成鑽石,因為數學計算表明,這需要1000萬億年的時間,而宇宙才只有大約138億年的歷史。但在這項新的研究中,研究人員相信自己可能已經發現了一顆開始變成鑽石的恆星

白矮星的冷卻模型

白矮星的冷卻模型。

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這顆白矮星名為HD 190412 C,距離地球約104光年,主要由金屬氧組成,是名為HD 190412的四重星系的一部分。研究人員指出,它看起來很像天狼星。

研究小組的工作重點是測量HD 190412 C由於結晶過程而導致的冷卻延遲。白矮星會因為內部重新排列而釋放熱量。這減慢了恆星的冷卻速度,其減緩速度取決於恆星的構成。通過記錄它的屬性並精確計算它的距離,研究人員可以計算出它還要多久才會失去所有熱量,從而揭示出它離成為一顆天體鑽石還有多遠。

來源 / https://phys.org/news/2023-06-white-dwarf-journey-crystallizing-celestial.html

/當天上有兩個太陽

科學家們第二次發現了多行星環雙星系統。這個系統裡有兩顆恆星,不像太陽系那樣只有一顆恆星。裡面的行星會同時圍繞兩顆恆星運行。

這顆新發現的行星被命名為BEBOP-1c(BEBOP-1系統也被稱為TOI-1338),以收集資料的項目名稱命名。2020年,科學家們利用美國航天局TESS空間望遠鏡的資料,在同一系統中發現了名為TOI-1338b的環雙星行星。

BEBOP-1c的藝術想象圖

BEBOP-1c的藝術想象圖。

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這顆行星是用凌星法發現的。研究的主要作者Matthew Standing博士說:「凌星法允許我們測量TOI-1338b的大小,但無法測量它的質量,而質量是這顆行星最基本的參數。」

BEBOP團隊當時已經在使用另一種檢測方法來監測這個系統——徑向速度法。俄亥俄州立大學天文學家David Martin說:「迄今為止,我們只發現了12個環雙星系統,而這是我們發現的第二個擁有不止一顆行星的系統。BEBOP-1c的軌道週期為215天,質量是地球的65倍,大約是木星質量的五分之一。」雖然數量罕見,但環雙星在增加我們對行星形成的理解方面非常重要。

伯明翰大學研究員、該研究的第二作者Lalitha Sairam博士解釋說:「行星是在圍繞年輕恆星的物質盤中誕生的,在那裡質量逐漸聚集成行星。在環雙星系統裡,圓盤圍繞著兩顆恆星。當兩顆恆星相互繞轉時,它們就像一個巨大的槳,擾亂了靠近它們的圓盤,阻礙了行星的形成。因此,與太陽系相比,在環雙星系統中更容易確定行星形成的位置和條件。」

儘管目前還沒有探測到帶內行星TOI-1338b,但研究團隊還是能夠對其質量進行嚴格的上限控制。現在我們知道,這顆行星的密度比維多利亞女王蛋糕還低,這一罕見現象使得這顆行星成為詹姆斯·韋布空間望遠鏡進一步研究的最佳選擇。觀測結果可能會揭示出這顆罕見的環雙星行星形成的化學環境。

來源 / https://phys.org/news/2023-06-tatooine-like-multi-planetary.html

/火星上的地點命名

如果拿著一張火星地圖,說不定你會感到奇怪:地圖上出現了地球上的地點名稱、探險家名稱,甚至是卡通人物的名字。

「毅力」號探測器目前正在火星貝爾瓦隕擊坑附近調查。在大約3700公里之外,「好奇」號探測器在名為「烏巴雅拉」的地方鑽取了一個樣本。貝爾瓦是隕擊坑的官方名稱;而鑽探地點「烏巴雅拉」則是暱稱,所以帶有引號。這兩個名字都是美國航天局(NASA)在探測任務中使用的,而NASA不僅為隕擊坑和山丘命名,還為研究的每一塊巨石、鵝卵石和岩石命名。

自從25年前科學家們開始使用卡通人物的名字命名以來,這些「外星名字」發生了什麼變化呢?

首先我們要區分火星上的官方名稱和非官方名稱:官方名稱是經由國際天文學聯合會(IAU)批准的名詞。IAU制定了行星特徵的命名標準,並將其記錄在《行星命名公報》中。

「毅力」號目前正在探索的區域,圖像中心下方就是貝爾瓦隕擊坑。

https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/2023/why-and-how-nasa-gives.jpg

例如,大於60公里的隕擊坑以著名科學家或科幻作家的名字命名較小的隕擊坑則以人口少於10萬的城鎮命名。「毅力」號一直在探索的耶澤羅隕擊坑與波斯尼亞的一個小鎮同名;耶澤羅隕擊坑中的貝爾瓦是以西弗吉尼亞州的一個小鎮命名的,而這個小鎮又是以1884年、1888年競選總統的婦女參政主義者貝爾瓦·洛克伍德(Belva Lockwood)的名字命名的。

火星上有2000多個地點有官方名稱,但更多地點擁有的是非官方暱稱。早期的火星任務有時會採用異想天開的綽號,甚至使用卡通人物的名字,比如「「瑜伽熊」、「鬼馬小精靈」和「叔比狗」。

「勇氣」號和「機遇」號時期,命名理念發生了改變,NASA團隊開始使用更有意義的名字。例如,「機遇」號團隊給一個隕擊坑起了「耐力」的綽號,以紀念探險家歐內斯特·沙克爾頓的南極探險隊。「好奇」號和「毅力」號分別以科幻作家雷·布拉德伯裡和奧克塔維婭·E.巴特勒的名字命名。「洞察」號團隊將著陸器在著陸過程中撞擊的一塊岩石命名為「滾石」,藉以紀念滾石樂隊。

大部分情況下,「好奇」號和「毅力」號都堅持使用基於地球位置的暱稱。比如「好奇」號團隊選擇了巴西最北端的羅賴馬州,以及位於委內瑞拉、巴西和蓋亞那邊境附近的帕卡賴馬山脈最高峰羅賴馬山作為命名主題。「好奇」目前正在探索的地區富含硫酸鹽,有著平頂山和陡峭山坡,讓團隊成員想起了帕卡賴馬山脈。「毅力」號團隊則選擇了美國國家公園的主題——現在,「毅力」正在探索落磯山,最近還在落磯山國家公園暱稱為「鮑威爾峰」的地方鑽探了岩石。

來源 / https://phys.org/news/2023-06-nasa-mars.html

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