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, 並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後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, 可以輕鬆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。
參宿四位於獵戶座方向, 觀測資料顯示, 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於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,
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裡, 參宿四的亮度都在一個正常的范圍內波動,
在此之後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, 然而這樣的事情並沒有發生, 因為在隨後的時間裡, 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。
儘管後續的研究表明, 參宿四的此次異常變暗應該是一片巨大的塵埃雲所致, 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)的天文科學家梅裡迪思·喬伊絲(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90萬年之後。
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於後者。 所謂的「核心坍縮」就是指恒星內部的「核燃料」耗盡之後, 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。
對於大質量恒星而言, 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, 當氫耗盡之後, 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, 當氦耗盡之後, 又會啟動碳的核聚變, 而在碳之後又是更重元素的核聚變, 如氧、氖、鎂、矽等等。
這一系列核聚變的最終產物就是鐵,由於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,並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「中子簡並壓」,當恒星外層的物質猛烈衝擊其緻密的核心時,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,對於不同類型的「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,在此之後的「核燃料」的「燃燒時間」更是越來越短,以至於從矽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資料,並使用恒星演化模型、流體動力學模型以及恒星脈動模型對其進行了細緻且深入的分析,最後得出的結論就是,參宿四目前正在「燒」的是「氦燃料」,並且只「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90萬年之後。
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,對於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,並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,參宿四的自轉軸並沒有指向地球,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。
這一系列核聚變的最終產物就是鐵,由於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,並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「中子簡並壓」,當恒星外層的物質猛烈衝擊其緻密的核心時,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,對於不同類型的「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,在此之後的「核燃料」的「燃燒時間」更是越來越短,以至於從矽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資料,並使用恒星演化模型、流體動力學模型以及恒星脈動模型對其進行了細緻且深入的分析,最後得出的結論就是,參宿四目前正在「燒」的是「氦燃料」,並且只「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90萬年之後。
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,對於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,並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,參宿四的自轉軸並沒有指向地球,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。