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【宇宙科普】體積相當於7億個太陽,危險的參宿四何時爆炸?科學家給出了時間

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,

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裡, 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。

為什麼是90萬年之後呢?

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。

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