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太阳是一颗二代恒星,那么一代恒星的残骸核心能找到吗?如果能,它又在哪里?

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宇宙 517 0 2017-11-22 22:10:01

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现在讨论的是太阳前世恒星的残骸去哪儿了,下面一堆回答纠结到底是二代还是三代,都在答非所问。 —————— 我是提问者,我蛮心塞的。  先说一下重点:1.太阳不是第二代恒星;2.第一代恒星的残骸一定是黑洞,不可能是白矮星。至于在哪,找不到。。通常认为第一代恒星形成的黑洞是现在星系中心超大质量黑洞的种子。非本人方向,在自己的理解范围内简单说一下吧。(全文无图,纯干货……)
  第一代恒星为什么质量很大?第一代恒星(first star)是现在非常热门的研究方向,对于它们的了解还很少,但有一点可以肯定,它们的质量都非常大,通常在 DSC0000.png 太阳质量以上,这是为什么呢?恒星是分子云在自引力作用下坍缩而来,分子云坍缩的过程中,内部会变热,如果没有很好的冷却机制,是缩不下去的,那么分子云靠什么冷却呢?靠分子的发射线。分子通过能级跃迁,发出光子,带走能量,比如CO分子,结构不对称,它旋转的时候就会放出光子,成为一种冷却机制。但对于第一代恒星,金属丰度极低(天文学上比氦重的元素都称为金属),在大爆炸之后,只有氢氦锂等元素,几乎没有金属。所以那时的分子云几乎全是 DSC0001.jpg DSC0002.png ,而没有旋转能级跃迁(两个原子一样,转来转去能量没什么变化。),就更不用说了。所以没有有效的冷却机制,这样原初分子云就很难冷下来,要想使热热的分子云坍缩下去,只能增大质量了,当自引力大到一定程度,分子云就被强行的缩成了恒星,这样,就形成了质量超大的第一代恒星,至少要在几百倍的太阳质量以上。
  第一代恒星变成了什么?答案是黑洞,并不是另一个答案里说的白矮星。这取决于恒星死亡爆发之后,核心残余了多少物质用于坍缩,如果小于1.44太阳质量,就形成白矮星,介于1.44到3个太阳质量之间,形成中子星(这一质量范围其实还没有完全确定),大于3个太阳质量,就形成黑洞。大约二十倍太阳质量以上的恒星死亡时就会形成黑洞,所以对于身材庞大的第一代恒星,其结局是大约 DSC0003.png 太阳质量的黑洞。这些黑洞现在在哪?一定还是黑洞。因为这些黑洞在以后漫长的演化过程中会吸积物质长大,甚至合并,只会长得更大,不会消失。(霍金辐射是非常非常缓慢的,可以忽略。)
  我们知道绝大多数星系中心都有超大质量黑洞( DSC0004.png 太阳质量),所以一种广为接受的理论是第一代恒星形成的原初黑洞是星系中心超大黑洞的种子,它通过吸积合并慢慢长大,变成超大质量黑洞。不过这一理论现在受到了越来越多的挑战,尤其是近期中国科学家发现了在大爆炸9亿年后就形成了120亿太阳质量的黑洞,其形成原因是难以理解的。
  太阳是第几代恒星?首先,太阳一定不是第二代。我们看一下第一代恒星是什么时候死掉的,恒星的寿命可以用质量除以光度来估算,即 DSC0005.png ,而光度与质量的关系可以粗略的写成 DSC0006.jpg ,因此寿命反比于质量的2.5次方,所以对于几百太阳质量的恒星,不到十万年就死掉了,这对于宇宙现在138亿年的年龄来说,几乎是一瞬间,紧接着第二代恒星就形成了。而我们的太阳是50亿年前形成的,显然不是第二代。
  第一代恒星在演化过程中会通过核聚变形成大量的金属元素,最重的可以形成铁,然后在它们死亡的时候,会通过超新星爆发进一步产生比铁更重的元素(没错,除了人工合成,所有比铁重的元素都只能通过超新星爆发产生,比如你的金项链...)。由于金属丰度变高了,有了有效的冷却机制,第二代恒星就没有第一代那么大了,寿命也会长一些,之后星际介质的金属丰度会越来越高,形成的恒星的金属丰度也越来越高,我们判断太阳是第几代恒星就是根据它的金属丰度判断的,现在较常见的说法是第三代(或者说,其金属丰度相当于第三代恒星)。
  说太阳是第几代恒星其实是不太严谨的说法,因为每一代恒星不是一起死掉的,而且恒星也不是像生孩子一样一代一代生出来,恒星没有明确的父母,恒星在不停的产生,也在不停的死亡,形成恒星的星际介质在不停地循环。形成太阳的那些物质,可能大多数来自一个死去的大质量恒星,但一定还混合了周围其他恒星留下的物质,说不定还包括了一些从来没有用于形成恒星的物质。所以,我们只能说,太阳至少不是第二代。

  既然题目问的是前世恒星的残骸在哪里,那就再补充一下:
  关于太阳的上一代,我们是非常不确定的,太阳绕银河系中心转一圈是2.4亿年,而太阳已经形成了50亿年,这样算来已经转了20圈了。不过这是非常粗略的估计,实际上,银河系的质量在50亿年前远没有现在这么大,太阳距银心的距离也可能发生了很大的变化。总之,太阳的形成环境是很难追溯的。如果太阳的形成跟50多亿年前的某个超新星爆发有关的话,那个超新星遗迹应该早已彻底耗散冷却,形成了一批新的恒星,而那个坍缩的核心,也不可能在太阳附近,或者说,我们完全不知道它在哪。。
编辑于 2017-05-18楼上说得正确,原则上可以通过观测分析出太阳由多少agb星和多少超新星生出来。这里补充一下为什么有人说太阳是第二代恒星,这是因为银河系的恒星按年龄有两类星族,太阳属于星族I,即年轻的一类恒星,因为星族的概念不是很容易普及,所以简单的称为银河系的第二代恒星。也有人根据宇宙中可能存在星族III的概念把太阳叫做第三代恒星,所以这里的第几代并不是科学上的严谨用法。发布于 2016-05-04太阳是 population Ⅱ star,不是第二代恒星。
population Ⅰ是metal rich,即丰金属元素(天体物理上,指原子序数大于2的元素),这类恒星在银河系内分布于旋臂。
population Ⅱ是metal poor,分布于靠近银心的外部空间。
还有一类population Ⅲ star,extremely metal poor,它是题主认为的第一代恒星。发布于 2016-05-07张程鹏的答案说的真好。
这个问题我听学太阳物理的哥们分享过。
如果按照generation的定义来划分,太阳都不知道是第n代了

从这张图开始我们的维基之路:
DSC0007.jpg 图片来自Stellar evolution
下方高能,假说预警:
1.能被追溯为最早提供必需材质的“母基”叫做“恒星摇篮”(Stellar nurseries)
高密度的星际介质(gas and dust)可以形成星云(diffuse nebula),在这块高密度区域中,大量的氢元素是以H2分子形式存在,所以这些星系也被叫做分子云(molecular clouds)。
最有名的当属哈勃望远镜拍摄的这张星云的图片了:
DSC0008.png 图片来自Star formation
这张是天鹰星云中,恒星在形成中的一副光景,天文学家管这个叫做“创生之柱”(Pillars of Creation)。
星际星云的gas会维持流体力学静态平衡,只要gas pressure的动能与内部引力势能相等。打破这一平衡的现象叫做引力坍塌(Gravitational collapse)。可能引发的爆点有分子云之间的碰撞,或者超新星的爆发——把激波扰过的物质弹射到分子云中。
银河系中的超大质量的黑洞,也能够调节星系核中恒星形成的速率,它抛射的物质带来的射电辐射也可以引发恒星的形成。
在一系列的引发之下,分子云最终会解体成复合恒星质量大小的“碎片”。这个过程叫做“Cloud Collapse”。
2.原恒星(Protostar)的出现
前面说的那些小碎片,不要小看它们,这些是恒星的“Precursor”,就是前驱体。
当前驱体温度足够高的时候,内部气体的压力就会对引力坍塌开始反击,伴随着进行的是物质的吸积阶段。
DSC0009.png 图片来自 A Young Star Flaunts its X-ray Spots.ogv
当温度和密度变得更大后,氘聚变开始了,合成物辐射产生的向外压力不断减缓引力的塌陷过程。当周围的气体和尘云停止分散,吸积过程也停止时,一个光学可见的主序前星(Pre-main Sequence Star)出现了。
这是一张原恒星(Protostar)爆发的照片:
DSC00010.jpg 图片来自Protostar
这里说到的原恒星,跟后来再此基础上演化的恒星还是有很大区别,在原恒星里还是只有氢原子而已。不过,这些原恒星的体型巨大,质量超重,有可能是宇宙出现过的最大恒星种类。
对于冰淇淋,巨轮卡车,蝙蝠车,航空母舰,质量和尺寸越大越好,然而对恒星来说,这些参数却不一定是他们想要的。
因为根据公式:
DSC00011.png 摘自Hansen, Carl J.; Kawaler, Steven D. (1994). Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution. Birkhäuser. p. 28. ISBN0-387-94138-X.
式中,M☉ = (1.98855±0.00025)×10^(30)kg,为一个太阳质量
L☉是太阳光度,可以用辐射通量来表示,它用来表示恒星可以释放的光能,衡量恒星的真实亮度
一个太阳光度的数值是3.846×10^26W。
DSC00012.jpg 是恒星在主序阶段的寿命。
可以看出,质量越大,反而主序寿命越短,可以用软件模拟一下:
模拟地址:http://spiff.rit.edu/classes/phys230/lectures/star_age/evol_hr.swf
DSC00013.png 质量为1.5M的恒星,主序寿命有1.68 billion years,而从主序到死亡用了不到1 million years


DSC00014.png 质量为7.0M的恒星,主序寿命只有37.7 million years,从主序到红巨星阶段用了大约200 hundred years。
因为质量和尺寸越大,核聚变的速率越大,而你的氢是有限的。

H-R图(Hertzsprung–Russell diagram)也可以看的很明显:
DSC00015.png 图片来自http://d1jqu7g1y74ds1.cloudfront.net/wp-content/uploads/2013/05/hr-diagrm-schematic.jpg

在这样的过程中,恒星不断死亡和形成,由于有很多的自由氢,它们可以被用来制造出更多的新恒星,同时又会打断和影响其他恒星的进程,这样反复的进行,直到有稳定状态的恒星形成,在这之间多少代的恒星死亡再生,才产生了像太阳这样有足够的非气态物质去合成许多岩质行星所需的种子。
因此,根据“Generation”的定义,没人可以确定太阳是几代恒星。
至于上面的过程,直接的证据很难找到,因为你不可能回到太初去观察太阳是如何炼成的,只能通过观测别的星系、星云中的恒星的'生长"来佐证。

就比如,在2015年7月,里斯本大学的David Sobral和莱顿天文台的天文学家们一起撰文称,发现了第一代恒星的印记,而这片星系据说形成于宇宙只有8亿(800 million years old)岁的时候,从那里而来的光穿梭了129亿年达到我们,才让我们看到了这样一副光景:
图片来源于http://www.nytimes.com/2015/06/18/science/space/astronomers-report-finding-earliest-stars-that-enriched-cosmos.html?_r=0
上图是艺术家合成的图,想要看文章的话请打开http://arxiv.org/pdf/1504.01734.pdf
除此之外,还有在大麦哲伦星系中的LH 95恒星摇篮
图片来自File:LH 95.jpg
猎户星云更加年轻的恒星正在形成:

图片来自File:Orion Nebula
天鹅座中S106 IR被尘云覆盖
图片来自File:Star-forming region S106 (captured by the Hubble Space Telescope).jpg

去找寻“那个一代恒星的残骸核心”显然不太现实,至少以人类目前的技术。
不过这里可以介绍一个有趣的现象
先看下面这幅图:
图片来自Light echo
“V838 Monocerotis”是组图中正中央的红色恒星,在2002年的时候,它经历了新星(Nova)的爆发,那团在它周围发光的壳状包裹物质根据时间的变化好像不断在膨胀。
实际上不是,当新型爆发时,它会喷射出难以想象的超亮光。类壳状形态从恒星中心以光速向外“膨胀”,我们所看到的实际上是光从壳状物质上的反射!这个现象就叫做“光回声”(Light Echo)。
图片来自Light echo
而这颗新星爆发的历史就被会被呈现在反射光中。如果你搜集足够的片段,你就可以看到整个Nova的历史。
假设我们的太阳在形成之初周围有大量的壳状星尘,如果有智慧生物存在足够远的星系中,比如132亿光年
图片来自http://www.nytimes.com/2012/10/02/science/hubbles-13-2-billion-light-year-squint.html
搜集到了来自太阳母恒星的光回声,也许就能记录整段信息,如果有可能造访地球,足够友好的带来这些片段,我们的后代也许真能目睹我们的太阳孕育。


以上参考资料:
Star formation
Pre-main-sequence star
Main sequence
http://spiff.rit.edu/classes/phys230/lectures/star_age/evol_hr.swf
https://www.quora.com/Is-it-possible-that-light-reflected-from-the-earth-be-caught-and-be-recorded-to-see-the-past-history-of-the-earth
Light echo
Radiant flux编辑于 2016-02-07一代恒星的残骸核心是白矮星

一代恒星指的是宇宙大爆炸之后,由氢氦等轻元素构成的恒星,而且一般体积都比较大,比较容易形成黑洞,没有形成黑洞的,会在核聚变后期引发氦-碳聚变,能量释放速度加快从而引发爆炸。爆炸之后爆炸内压使得核心发生更大的坍缩,太阳那么大质量的白矮星,体积只有地球这么大。白矮星的主要元素成分是碳氧镁,一代恒星超新星爆炸抛射出去的星体物质主要成分是氢氦氧和一些碳。

太阳很明显不是第二代恒星,而是N代恒星,地球包括太阳上虽然主要成分还是氢氧碳,但还存在有大量的铁,以及比铁重的元素金,铀等,元素表是非常齐全的,这点意味着,组成太阳以及地球的这些元素,来自于多次甚至非常多次的超新星爆炸,尤其是金,铀这些元素,是需要用铁等更重的元素去参加超新星爆炸才可以形成的更重元素,也就是说,太阳之前的那一带恒星就已经至少有铁元素等重元素了,肯定不是第一代恒星了,连第二代都很遥远。发布于 2016-02-05最高票已经说的很好了。补充一下,目前还没有观测找到第二代恒星。发布于 2016-04-17  太阳是N代,N大于2。太阳的前世应该是很多个一代二代N代恒星,它们超爆后的物质(如果质量不够大,不是超爆,只是抛出一些物质)最终汇合成原太阳。所以一代残骸应该是一群大黑洞,分布在宇宙各处。
编辑于 2017-11-18相同的问题我也思考过,那颗恒星毁灭了之后,只有千万分之一的质量产生了我们的太阳系,究竟那个恒星会是什么样的级别,他的残骸在那里。也许按照这么大的质量比例,是生成了个黑洞,然而那个黑洞又是我们太阳系的来源。卧槽,我只能浪漫地回答下了,因为臣妾也不知道啊。。。

更新:然后我查了下网上,找到一段这样的话,虽然题主应该也是不满意,不过从某种程度上来说接近了你的问题


Where is the supernova remnant that led to our solar system? (Intermediate)

Solar systems like ours with heavy elements are formed from the materials after old supernova explosions. After a supernova explosion, there is a dense core left (e.g. neutron star). Why have we not observed the remnants or dense core to the parent of our solar system?You are correct when you say that the presence of heavy elements in our solar system and on Earth can only be explained from supernova explosions. From what my advisor told me, astronomers have determined that about a million or so years after the supernova (or perhaps multiple supernovas), the remnants settled into the solar nebula from which our Solar System was forming and thus later formed the Earth and Sun and other planets from these raw elements.

This supernova would probably have left behind a neutron star or perhaps even a black hole, but there is no way we can determine that.The reason we cannot observe whatever is left from the "parent supernova" of our solar system is simply because 4.5 to 5 billion years [the age of our Solar System] is a pretty significant time in the universe, and there is no way we can determine what our Galaxy looked like that long ago, and there is no way we can determine what significant events have happened within our galactic neighborhood between now and 5 billion years ago. I know it sounds like a cop-out answer, but it is simply too difficult. Keep in mind that in those 5 billion years, the Sun has travelled around the galaxy about 20-30 times. Many different things could have happened to this parent supernova core remnant in this time. Stars generally move around the Galaxy but also move relative to each other, and there's no way we can determine the precise motion that the supernova and its remnants had 5 billion years ago. Who knows... it may have even travelled outside our Galaxy in this time... we just don't know.

This page was last updated June 28, 2015.编辑于 2017-01-16推荐一个纪录片系列:斯蒂芬霍金看宇宙。发布于 2016-02-19太阳是第一代超新星爆炸后星云重新聚集成的?发布于 2016-02-07太阳是第一代超新星爆炸后星云重新聚集成的?发布于 2016-06-15
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