爱读书 探索 太阳变成一颗白矮星是否成立?其中又会有什么奥秘呢?

太阳变成一颗白矮星是否成立?其中又会有什么奥秘呢?

当太阳变成一颗白矮星时,在太阳系里的内行星、矮行星、气体行星和小行星会发生什么呢?美国国家航空航天局的一位研究人员目前正在思考这个问题,他正在建立一个模型来模拟当我们的太阳失去质量,猛烈的变成一颗电子退化的恒星时,我们的太阳系会如何演化。约翰·德布斯博士(John Debes)的研究发现了一些非常有趣的暗示。随着我们使用更精确的技术来观察现有的白矮星,以及曾经环绕过它们运行的岩石星体的尘埃残骸时,德布斯模型(Debes’ model)的结果可以用来作为一个比较,看看是否有任何现存的白矮星与我们的太阳在四十到五十亿年后的样子相似……

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现在,太阳在黄矮星和红巨星之间对比,我们的太阳更像是一颗健康的黄矮星。如果更精确说的话,它是一颗G型主序星。这颗黄色的矮行星将在其核心以每秒六亿吨的速度燃烧一百亿年,产生了让我们星球适合居住的光。太阳大约处于氢燃烧阶段的一半,所以没有关系,(至少对于太阳来说)很长一段时间是不会改变的。

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但是接下来会发生什么呢?当核心中的氢供应不足时,在未来的四五十亿年会发生什么呢?尽管我们的太阳还没有大到让人联想到它会在超新星的光芒中消失,但它仍然会经历一场令人兴奋而又可怕的死亡。在经历了氢燃烧的阶段后,当氢燃料变得稀缺时,太阳将会膨胀成一颗巨大的红色巨星,尺寸将会扩大到现在的两百倍,可能会吞没地球。氦,和其他越来越重的元素会在核心内部和周围融合。然后太阳永远不会融化碳,相反,它的外层将脱落,形成一个行星状的星云。

一旦一切平静下来后,白矮星上一颗闪闪发光的小宝石将会残留下来。这个微小的残余物的质量可能会是我们当前太阳的一半,但是会和地球同样大小。不用多说,白矮星的密度是很大的,强烈的引力不会因核心的融合来抵消(就像所有的主序星一样),而是受电子简并压力来抵消。

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图解 :IK Pegasi A(左),IK Pegasi B(下部中心;白矮星)和太阳(NASA)的大小对比。

当太阳系达到发展到这一阶段时,它将是什么样子?小行星,气体行星,月球,岩态行星会变成什么样子?我很幸运地与美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家约翰·德比斯(John Debes)博士在1月在加利福尼亚州长滩举行的美国天文学会(AAS)会议上进行了会谈,他正在开发一个n体代码(n-body code simulating)模拟太阳系。在太阳在其核心停止氢聚变后,在红色巨星阶段和随后的行星状星云形成后,它在脱离外层的过程中失去了质量。据估计,在这段时间内,太阳将失去其质量的百分之五十,并自然地影响整个太阳系。随着太阳失去质量,外行星(例如木星)将向外漂移,增加其轨道半径。在这个模拟中,德布斯非常小心地确保太阳质量的逐渐减少,以确保模拟的稳定性。

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我们剩下的是一个古老的太阳系,里面的行星几乎没有了(当太阳处于红色巨星阶段膨胀时,地球轨道内的所有东西都有可能被太阳反噬。)尽管未来的白矮星太阳系对现在来说似乎有些陌生,但有些事情是不会改变的。木星的轨道可能会随着太阳质量的下降而减弱,但它仍是一个重量及别的行星,从而会导致小行星轨道的中段。利用已知的小行星数据,这些大岩石的运动是可以进化的,或者几百万年后,它们可能会被抛出太阳系,或者更有趣的是,被推倒离白矮星恒进的位置。一旦整个系统稳定下来后,小行星带的共振将会被放大;柯克伍德空隙(由与木星的引力共振引起)将扩大,并且根据德布斯的模拟(Debes’ simulations),这些缝隙的边缘会受到更多的扰动,使更多的小行星被潮水锁定破坏并粉碎成灰尘。

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图解:白矮星周围小行星碎片的艺术家概念(美国宇航局/加州理工学院)

AAS会议被对白矮星观测的惊人研究所充满。其原因是有许多白矮星候选体,它们的金属吸收线布满灰尘。通过天文学家的分析,这可能意味着曾经有一些岩石天体绕着这些恒星运行,但后来被潮汐切碎。这些白矮星系统可以为我们提供一些探索,让我们知道什么机制为白矮星提供了尘埃物质,甚至提供给了我们一窥太阳系未来的机会。“我们有行星系统和尘埃白矮星之间联系的物理性图像,” 德布斯在描述他的模型与神秘的白矮星观测的关系时说。“灰尘白矮星真的是一个谜团!我们认为我们可能知道接下来会发生什么,但我们目前为止还没有确凿的证据!”

然而,德布斯离寻找的证据一步步靠近,他的模型是基于这些古老的尘埃残骸的一些关键特征,以观察数十亿年后的太阳系会是什么样子。

所以,这些尘埃物质是从哪里来的呢?当小行星轨道被木星扰乱时,它们可能因为靠得足够近从而被潮汐破坏。如果靠得太近,它们就会被紧凑的白矮星陡峭的潮汐半径所产生的引力切变撕碎。紧接着小行星的尘埃就会进入白矮行星。这种尘埃的存在在光谱数据的吸收谱线上有一个非常明显的特征,这使得研究人员可以推断出富含金属的白矮星的吸积率。在德布斯的模型中,他将上限设置为1016 g/一年,下限为1013 g/一年,这与观测估计相一致。

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图解:G29-38光谱。这和太阳变成白矮星后的光谱相似吗?(美国国家航空航天局/斯皮策空间望远镜)。

在他进化后的太阳系模型中,木星的引力控制着这种吸积速度,将小行星推向白矮星,通过使用强大的超级计算机跟踪扰动并最终粉碎已知的小行星,这样也许会有机会得出一个深刻的结论。德布斯可以用他的模型来比较观测到的已知的白矮星尘埃和模拟太阳系的结果。参考以前的研究((特别是凯斯特& 威尔肯 (Koester & Wilken), 2006年发表在《天文学与天体物理学》杂志上),德布斯发现了一些类似的白矮星“太阳”。

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“G29-38是典型的尘埃白矮星,他们[ 凯斯特& 威尔肯]估计总质量为0.55个太阳质量——大约是人们认为当我们的太阳变成白矮星时所剩下的质量。” 德布斯补充道。“但是对于质量的估计仍然存在一些不确定—因为我看到过对这颗特殊白矮星的估计,从太阳质量的0.55到0.7倍不等。”

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图解:太阳的未来?白矮星G29-38 (美国国家航空航天局)

“另一个很好的候选者是DAZ(富含金属的白矮星)叫做WD 1257+278,它没有尘埃出现的痕迹并且它的质量是太阳的0.54 M^Sun,”,德布斯说道。“它的吸积率也与我目前假设的小行星带质量的模型预测一致以及在我的模拟中发现的扰动的时间标度。”

德布斯正在继续使他的模型变得越来越复杂,但是结果已经非常令人鼓舞了。最令人兴奋的是,我们可能已经观察到了白矮星们,比如说 G29-38以及WD 1257+278,让我们得以一窥当太阳变成白矮星时我们的太阳系会是什么样子,撕碎任何残留的小行星和行星,当它们太靠近太阳的潮汐时,剩下的小行星和行星会被撕碎。然而,这也引发了一个问题:如果像G29-38这样的白矮星正在被潮汐混合的小行星的残骸喂养,那么在这些白矮星系统中,是否也有巨大的行星在引导着小行星呢?

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. universetoday- Jenny

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