體積相當于7億個太陽,危險的參宿四何時爆炸?科學家給出了時間

天空之城 2022/07/05 檢舉 我要評論

在夜空中閃爍的恒星都有「壽終正寢」的那一天,科學家告訴我們,并不是所有的恒星都會在宇宙中默默地熄滅,比如說太陽在其生命的最后時刻就會膨脹成一顆紅巨星,其龐大的體積甚至可以將地球吞噬,而那些質量比太陽大得多的恒星(初始質量是太陽的8倍以上),通常都會以一種更加壯麗的方式——超新星爆發,來宣告自己的消亡。

超新星爆發釋放的能量,可以輕松達到太陽一生釋放出的能量的數十倍甚至更多,在爆炸的過程中,整個星系都會被超新星釋放出的電磁輻射照亮,因此超新星爆發也被人們稱為宇宙中已知的威力最強的爆炸。

由此可見,宇宙中的那些大質量恒星都很危險,一旦發生爆炸,其周圍的很大一片區域都將面臨著嚴峻的威脅,令人擔心的是,距離地球只有640光年的參宿四(Betelgeuse),就是一顆這樣的恒星。

參宿四位于獵戶座方向,觀測數據顯示,它的質量為太陽的16.5至19倍,如此大的質量已經遠遠地超過了恒星發生超新星爆發的臨界值。更重要的是,目前的參宿四的體積相當于7億個太陽,已經是一顆「紅超巨星」,而據我們所知,這正是大質量恒星生命的末期,這就意味著,在不遠的未來,參宿四就會發生威力巨大的爆炸。

危險的參宿四何時爆炸?科學家給出了時間

參宿四一直是科學家們的重點觀測對象之一,上圖為1996年以來參宿四的亮度變化記錄,從中我們可以看到,在過去的很長一段時間里,參宿四的亮度都在一個正常的范圍內波動,但從2019年10月開始,參宿四就開始異常變暗,到了2020年初,其亮度一度降低到1.8等左右。

在此之后參宿四的亮度又開始大幅上升,當時有不少人都認為,參宿四很可能即將發生爆炸,然而這樣的事情并沒有發生,因為在隨后的時間里,當參宿四的亮度上升到一定程度的時候,又開始了下降,似乎又回到了正常范圍。

盡管后續的研究表明,參宿四的此次異常變暗應該是一片巨大的塵埃云所致,但這顆忽明忽暗的「紅超巨星」仍然引起了科學家的注意,在2020年初,一個由澳大利亞國立大學(ANU)的天文科學家梅里迪思·喬伊斯(Meridith Joyce)領導的研究團隊,開始著手對參宿四進行研究。2021年2月初,該團隊的科學家給出了結論:參宿四的爆炸時間大約為90萬年之后。

為什麼是90萬年之后呢?

已知的超新星爆發可分為「熱核爆炸」和「核心坍縮」兩種類型,像參宿四這種大質量恒星屬于后者。所謂的「核心坍縮」就是指恒星內部的「核燃料」耗盡之后,恒星就會因為失去了核心支撐而迅速坍縮,其最終結果就是引發超新星爆發。

對于大質量恒星而言,它們的「核燃料」其實可以多次利用,簡單來講就是,氫的核聚變反應會生成氦,當氫耗盡之后,恒星就開始坍縮,其核心的溫度和壓強會大幅提高,從而點燃氦的核聚變,氦聚變會生成碳,當氦耗盡之后,又會啟動碳的核聚變,而在碳之后又是更重元素的核聚變,如氧、氖、鎂、硅等等。

這一系列核聚變的最終產物就是鐵,由于鐵原子核即使發生聚變也不會釋放能量,因此當恒星內部的核聚變進行到這一步時,其核心就再也沒有能量來抵抗恒星自身的重力,在這種情況下,恒星外層的物質就會以極高的速度向核心坍縮,其速度甚至可以高達光速的20%左右。

與此同時,恒星核心物質的電子會被巨大的重力壓入原子核,并與原子核中的質子結合形成中子,大量的中子緊縮在一起,讓恒星核心擁有了強大的「中子簡并壓」,當恒星外層的物質猛烈沖擊其致密的核心時,其攜帶的巨大能量就會在一瞬間釋放,從而發生威力無與倫比的爆炸。

需要注意的是,在上述的過程中,對于不同類型的「核燃料」,其「燃燒」的時間也有很大的不同,具體表現在,參與核聚變的原子核越重,其「燃燒」的時間就越短。

根據科學家的計算,像參宿四這種恒星,其「氫燃料」大約可以「燃燒」1000萬年,「氦燃料」大約可以「燃燒」100萬年,「碳燃料」大約可以「燃燒」1千年,在此之后的「核燃料」的「燃燒時間」更是越來越短,以至于從硅到鐵的整個核聚變過程,都只有短短的14天左右。

也就是說,只要我們知道參宿四現在正在「燒」哪一種「核燃料」以及「燒」了多久,就可以較為準確地推算出參宿四會在何時爆炸。

上述團隊的科學家在研究工作中收集了大量參宿四的觀測數據,并使用恒星演化模型、流體動力學模型以及恒星脈動模型對其進行了細致且深入的分析,最后得出的結論就是,參宿四目前正在「燒」的是「氦燃料」,并且只「燒」了大約10萬年的時間。

所以我們只需要做一下非常簡單的計算,就可以得出,參宿四的爆炸時間大約為90萬年之后。

如果參宿四發生了超新星爆發,地球會有危險嗎?

參宿四距離地球只有640光年,對于超新星爆發這種高能事件而言,這種距離談不上絕對的安全,雖然地球不會受到參宿四爆炸時產生的星際物質輻射激波的影響,但是其產生的伽馬射線暴對地球卻是一個不小的威脅。

科學家推測,地球在4.5億年前就曾經遭受過一次伽馬射線暴的「襲擊」,在此次事件中,一束來自6000光年外的伽馬射線暴摧毀了地球的臭氧層,并引發了一系列的連鎖反應,最終造成了「奧陶紀大滅絕事件」,這也是地球上的第一次生物大滅絕事件。

幸運的是,超新星爆發時產生的伽馬射線暴是沿著恒星自轉軸的方向傳播的,而根據科學家的觀測,參宿四的自轉軸并沒有指向地球,而是與地球有一個大約30度的角度,因此可以說,就算參宿四發生了超新星爆發,地球也不會有危險,所以我們也不必為此擔心。

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