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作为竞争的失败者,褐矮星还有机会成为真正的恒星吗?
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ThomDut
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2022-2-23 15:18:15
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距离
地球
最近的褐矮星双星系统Luhman 16。
宇宙中有数不清的恒星,与此同时也有数不清的褐矮星。它们是恒星地位争夺赛中的loser,由于没有得到足够多的物质,而失去了通过氢的聚变把质量转化成能量的机会。
星云物质的大部分其实并没有机会变成恒星,而是成为了小块的气体云、小行星、类地行星、气体巨行星和褐矮星。褐矮星内部其实也不是死寂的,而是会发生稀有同位素核聚变,但产出的能量很少,没有办法让它成为一颗夺目的明星。
恒星内核核聚变的触发需要很多条件,比如温度。要让氢聚变成氦,温度至少需要400万K。孕育恒星的星云温度却很低,几乎只有几十K。引力使得气体云收缩,分子运动速度加快,温度逐渐升高。分子密度变大后,热量就会被圈禁在气体内部。
猎户座,拥有大片的分子云和从中诞生的恒星。
如果物质聚集量很大,那么内部温度就有机会突破100万K。这个温度虽还不足以让氢聚变成氦,但会触发一种非常特殊的聚变反应——氘聚变。氘是氢的稀有同位素,约占宇宙氢总量的0.002%。氘的原子核比氢多一个中子。在此温度下,氘核能够和质子——也就是氢核——发生聚变,聚变的产物是氦3——一种不常见的氦同位素。
聚变必然会释放出能量。虽然没有恒星聚变释放得那么多,却足以支撑起物质团块内部,使其不致继续收缩,进而避免了核心温度过早突破400万K的大关。许多大质量恒星就是这样形成的——它们在这种情形下获得了充分的时间,攫取了更多的物质。之所以说400万K是个坎,是因为一旦氢核发生聚变,释放出的巨大能量会阻止物质继续积累。没有氘聚变,也就没有大质量恒星;没有氘聚变,宇宙中最大的恒星质量最多不会超过
太阳
的3倍。而事实上,质量达到太阳几百倍的巨星比比皆是。
要成为一颗恒星,要使其内部温度达到400万K,那么其质量最少需要达到太阳的7%左右。而成为一颗褐矮星,则无需那么多。
Luhman 16是一对由褐矮星组成的双星。
正如宇宙中存在着大量的双星一样,宇宙中也存在着大量以双星方式存在的褐矮星。距离地球最近的褐矮星Luhman 16就是一对双星。它们两个之间的距离大约是地球和太阳间距离的三倍左右,而它们的质量加起来绝对超过太阳的7%。也就是说,如果它们合并,那么就会变成一颗真正的恒星。实际上,任何褐矮星只要获得额外的物质,使其质量突破氢聚变的下限,那么它就会变成恒星。
双星的合并通常需要外因的促成,而这样的机会是有限的。稳定的双星虽然会因引力而发生轨道衰减,但如果因此而发生合并,却要经历极为漫长的过程,远远超出于宇宙当前的年龄。除了极端个例,按照概率来看,每10^18年中——相当于当前宇宙年龄的1亿倍——才有1%的褐矮星有此幸运。
但事实上,这个概率可能会高一点。天体虽然是有限的,但其势力范围却要大得多。比如地球是一个有限的圆球,但当太阳耀斑横扫地球轨道时,地球的外层大气分子却可以在背朝太阳的方向伸展出几百万公里。最近的观测结果表明,褐矮星也有类似于耀斑的辐射爆发现象。因此正如低轨道上的人造卫星最终会坠落一样,在星际气体中穿行的褐矮星轨道也会因受到阻力而加速衰减,褐矮星之间会加速靠近。假如两颗褐矮星之间的距离相当于
水星
和太阳,那么这种效应就会更加明显。
组成Luhman 16双星的两颗褐矮星在不同时间点上所处的位置。
褐矮星内核中的氘一旦燃尽,它就会逐渐冷却。但是即便如此,一旦它们之间发生合并,撞击产生的能量仍会产生足够高的温度和压力,使其内核再次燃烧。它们合并后很可能会产生一颗质量极小、寿命极长的红矮星。这类红矮星的寿命可以超过10万亿年。褐矮星一旦被点燃,那么它很可能会在遥远的未来,成为星系中唯一一种仍在发光的恒星。
这类由褐矮星点燃制造出来的红矮星极为有趣。它内核中的氢会通过聚变变成氦4,而它的内核物质会通过对流与外层发生交换。因此氢燃料的利用十分高效,几乎可以达到100%。最终,这类红矮星的成份会变成纯粹的氦4。由于质量太小,氦4无法被再次点燃,因此它的遗骸会慢慢收缩,变成一种当前宇宙中可能尚不存在的天体——氦白矮星。
不过宇宙中的大部分褐矮星是没有机会绝地反击,成为一颗真正的恒星的,因为褐矮星的合并概率实在太小了。但是那些极少数的幸运者,却有机会成为一盏能够照亮末日黑暗的明灯。
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