当太阳变成白矮星时会发生什么?

时间:2020-12-05 09:14:03   作者:
地球正以每年15厘米的速度缓慢地远离太阳,这是由于潮汐力将太阳的角动量消耗掉,并通过远离太阳的方式将其转移到地球上。当太阳变成一颗红巨星时,再加上空间以每秒75公里/百万秒差距的速度膨胀,地球的轨道将离太阳更远4000 - 5000万英里。在数十亿年的时间里,行星的轨道实际上是混乱的。这是不可能预测的,因为太阳系在50亿年后就不会和现在一样了。

如果地球和外行星能存活到太阳最后一口气释放出其质量接近一半的行星状星云时,这些行星就会飘向黑暗的太空和黑暗的罗马。很可能是永恒的,或者至少是直到时间的尽头。

在下面引用的论文中,它描述了第九大行星(行星9)可能会把天王星和海王星从太阳系中踢出去,而木星将会一直锁定在死气沉沉的太阳上。如果有足够的时间,与其他大型引力物体的相互作用可能会将围绕我们死去的太阳运转的大部分行星驱逐出去。

第二部分来自另一位研究人员,分析了过去的1.4亿年。这一分析在太阳如何失去质量方面略有不同。最重要的是,轨道是不可预测的,一旦恒星死亡,行星会在哪里找到自己,这取决于太阳什么时候、有多少、以多快的速度失去它一半的质量。这对太阳系最终的样子以及行星被逐出轨道的容易程度产生了重大影响。

太阳将在大约6.5 Gyr时离开主序,并经历剧烈的变化。它的半径将增加大约230倍,它将失去几乎一半目前的质量,它的光度将达到峰值,大约是目前值的4000倍。太阳将变得如此之大,以至于它的半径将延伸到地球目前所在的位置之外。这些重大变化将分两个阶段进行。红巨星分支阶段将持续约800矿砂当量。在这段时间内,太阳将逐渐失去大约四分之一的质量。第二阶段,当太阳成为一个渐近的巨大分支恒星,是较快的:持续只有5默尔。在此期间,太阳质量的另外四分之一将会消失。在这两个阶段,太阳的半径将延伸到接近地球的距离。对太阳系内部的影响将是深远的。

类地行星可能会在大约99%的主序结束前保持稳定的轨道,它们将处于危险之中。水星和金星将被吞没,地球将处于生存的边缘。火星会被烤焦,但应该能存活下来,因为它不会被太阳的潮汐所困。半径在100米到10公里之间的小行星带组成部分将被旋转到破碎速度。

然而,对于那些巨大的行星来说,其后果将是良性的。木星、土星、天王星和海王星将各自增加大约两倍的半主轴,并且不会发生散射或不稳定,即使至少木星大气层的化学成分将从根本上改变。巨行星的偏心率将有效地保持不变,因为它们处于绝热极限内,超过这个极限,恒星的质量损失将改变偏心率和半长轴。


当太阳变成白矮星时会发生什么?

太阳生命的最后1.4亿年将非常复杂。

当太阳坍缩成红巨星后,它将作为一颗亚巨星反弹,如图1所示,太阳将重新成为一颗拥有双重能量源的恒星:它将拥有一个致密的(但不是电子退化的)碳氧核心,周围是一个氦燃烧成碳的壳层,在这个壳层之外,它将有另一个壳层氢燃烧成氦。(核心氧是由核心表面的碳和氦的缓慢融合产生的。在较重的恒星中,氧可以反过来与氦融合生成氖。)氦核聚变每公斤产生的能量只有氢聚变的9%,所以从能量上讲,太阳仍然主要是一个氢反应堆。它90%的亮度仍然来自燃烧的氢气。

当太阳变成白矮星时会发生什么?

然而,现在正是围绕着核心的氦决定了太阳的演化。太阳或多或少重复了它作为一颗老旧的主序星所做的事情,只是现在的核心是碳氦混合,而不是氦氢混合。在一段时间内,它达到了相对的稳定性,并在它的新化身中保持了流体静力学的平衡,成为一颗橙黄色的“亚巨星”。因此,在这一阶段存在的恒星有时被称为“氦主序”。从人类一生短暂的视角来看,亚巨星似乎足够平静:著名的大角星就是这样一颗巨星,它的光芒曾被用于1933年芝加哥世界博览会的开幕式。自从望远镜发明以来,它没有以任何可测量的方式改变。

但是维持氦燃烧所必需的高温意味着太阳只能以一种方式燃烧氦:非常快。炙热的核心也决定了氢的快速燃烧。当它处于正常的主序时,在大约90亿年里,太阳的光度保持在相当接近1.0 L的水平,最后亮度增加到2.7 L左右。在氦主序上,太阳的光度将保持在45升左右,最后亮度将增加到110升左右。不像红巨星那样令人印象深刻,但却非常明亮。

为了维持其亚巨星的生活方式,太阳必须以比最初的氢内核快100倍的速度撕裂氦内核中的燃料。在氦主序上只运行了1亿年之后,太阳将再次开始向红巨星的领域攀升,其原因和之前一样。但没有“碳闪光”,相当于氦闪光,阻止太阳第一次。点燃碳-碳聚变所需的温度和压力对于太阳来说太大了,无论它的核心被压缩到何种程度,它都无法实现,所以碳只会积累起来,变得越来越密集。当太阳第一次运行成为红巨星时,它的核心被压成白矮星密度,而外层则翻滚到直径达数千万公里,这种趋势现在是不可阻挡的。太阳再次变成一颗红巨星,这次的峰值光度在3000 l以上。太阳的外层越来越向外膨胀,越过了木星的轨道,而与此同时,它的电子简并核心的质量迅速增大,因此变得越来越小,密度也越来越大。

最终,两家公司分道扬镳的那一天到来了。恒星最后的日子是极其复杂的,因为燃烧氦和氢的外壳的燃烧速度是不一样的。温度更高、燃烧速度更快的氦层会向外加速并超过燃烧氢的氦层,当这种情况发生时,就没有更多的氦可以燃烧了,所以氦层就会熄灭。但是这颗巨星很快就会产生更多的氦,这些氦会聚集在白矮星的核中,直到它突然爆发,在逃逸的氦点燃中,这有点像幼年版的氦核闪光。氦的燃烧会在短时间内破坏(关闭)氢的燃烧,然后就继续下去了。最后,太阳会咳嗽着死去,因为多种燃料的燃烧和核聚变的中断撕裂了它的大气层。

在4到5次间隔约10万年的大爆炸中,太阳的外层将与核心分离,并被完全吹走。它们将在太阳系周围形成一个巨大的、不断膨胀的外壳,然后向外移动,重新加入星际气体。大约45%的太阳质量将以这种方式逃逸。太阳剩余的55%的质量很快就被压缩到白热、超高密度的核心中。对于从远处看太阳的人来说,太阳会出现迅速的颜色从红色到白色,因为周围的气体面纱被揭开。

当太阳变成白矮星时会发生什么?

灼热的太阳核心暴露的表面将会非常热,至少17万K度,它将会发射出比可见光更多的x射线。(红巨星之后的恒星是已知最热的恒星,中子星除外。)它的亮度将达到4000 l。太阳将成为一个真正银河系的辐射源,它的能量将照亮周围逃逸的气体,就像一个巨大的霓虹灯招牌。这种云被称为行星状星云,这是一个误导人的名字,因为18世纪的天文学家几乎无法用当时的望远镜看到它们,并认为它们看起来像行星。它们是天文学中最美丽的景观之一。右边这张名为NGC 6751的星云的照片是我最喜欢的一张。中间的亮点是红巨星后的母星。

值得注意的是,有一颗恒星正处于爆炸边缘,肉眼可以看到它的外层。这就是米拉,“令人惊奇的一颗”,在中世纪被阿拉伯天文学家命名,因为米拉在大约330天的时间里从它的星座(鲸座,鲸鱼)中最亮的恒星到完全看不见它。米拉是唯一一颗通常你看不到的经典命名恒星。现代仪器显示,Mira是一个极度膨胀的深红色气体包,它甚至不是接近球形的,在2000 K度,也是已知的最冷的恒星之一。它的大气层正在经历复杂的波动和振荡,因为它下面的核燃烧在喷溅和喘气。因此,它的可变性。再过50万年或更短的时间,米拉将成为行星状星云。

当太阳变成白矮星时会发生什么?

至于太阳,由于没有外层为它提供更多的氢,它只能维持星云的壮丽景象几千年,以银河系的标准来说,只不过是指一指而已。在稠密的核心上,最后的燃料残渣将最终燃烧殆尽,太阳将在120亿年的时间里第一次停止产生能量。星云将会分散和消失。太阳已经变成了一颗白矮星,比地球稍大,但质量是地球的20万倍,在数十亿年的时间里,它所做的一切就是慢慢冷却。

由于它们巨大的密度,白矮星冷却所需的时间非常长,即使是已知的最古老的(将近120亿年)也没有时间冷却到5000 K摄氏度以下。这些非常古老的“白矮星”或许可以更准确地称为“黄白”矮星,但无论如何,银河系不包含任何“黑矮星”。自大爆炸以来,我们的星系产生了大约100亿颗白矮星,它们仍然闪耀着光芒,尽管光线很微弱。
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