據(jù)國外媒體報道,太陽看起來似乎是一個永遠燃燒的氣體球,但總有一天它會死去,這可能聽起來很讓人沮喪,尤其是對于那些在地球上生活了幾十億年的生物來說。但太陽的死亡也有光明的一面。根據(jù)2019年1月發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的一項研究,死去的太陽將留下一堆亮閃閃的遺產(chǎn):變成一顆巨大的水晶,不過,這可不是你在普通枝形吊燈上能找到的那種水晶。
在討論超大型恒星晶體之前,我們首先需要了解像太陽這樣的恒星是如何生存和死亡的。
從紅巨星到白矮星
太陽通過原子的核聚變產(chǎn)生能量,它的巨大引力將恒星核中的氫原子擠壓在一起,聚變成氦原子,并在這一過程中釋放出的大量能量,向外推動,維持著良好的平衡狀態(tài)。只要有足夠的氫燃料支持這個過程,核心的大小和溫度就保持不變(大約1500萬開爾文)。核聚變產(chǎn)生的能量輻射到整個太陽系,最終孕育了地球這個宜居星球上生命的演化。在太陽所經(jīng)歷的生命周期中,這個燃燒氫的階段持續(xù)了約90%的時間,這一生命期的恒星被稱為“主序星”。目前,太陽的主序星階段已經(jīng)經(jīng)過了45億年——大約是它生命的一半。
當(dāng)氫原子耗盡后會發(fā)生什么?委婉地說,事情會變得有點瘋狂。如果沒有聚變氫所產(chǎn)生的能量向外的壓力,太陽的引力就會使其核心不堪重負,被擠壓成一個更小的空間,其溫度將提高十倍。不過沒關(guān)系,較重的氦原子核將開始聚變,再次產(chǎn)生向外的壓力來維持平衡。據(jù)預(yù)測,這將在大約50億年后開始發(fā)生,其標志是一種名為“氦閃”的能量突然噴發(fā)。在氦聚變過程中,碳和氧形成,核心的溫度再次上升。
不久之后,甚至更重的元素也開始聚變,使太陽整體上看起來會因物質(zhì)消耗而有點糟糕。它將開始膨脹,猛烈的太陽風(fēng)橫掃星際空間,太陽的外層將開始剝離。不過,太陽的質(zhì)量還不足以爆發(fā)稱為超新星,而是會變成一顆紅巨星。它可能會擴張到地球軌道之外,將我們的星球烤焦。
在紅巨星末期,太陽外層殘存的氣體會被太陽風(fēng)吹送進太空,并被電離成太陽等離子體,從而形成美麗的行星狀星云。這個星云內(nèi)部富含新形成的重元素,將繼續(xù)用于產(chǎn)生下一代的恒星和行星。外層被剝離后,唯一留存下來的將是被稱為白矮星炙熱恒星核。這是一個小而高密度的恒星,將在數(shù)十億年中逐漸冷卻和暗淡,成為太陽曾經(jīng)地位的證明。
白矮星在數(shù)十億年后會永遠熄滅和變暗,但這并不是故事的結(jié)局。利用歐洲蓋亞任務(wù)的觀測結(jié)果,英國沃里克大學(xué)的研究人員偶然發(fā)現(xiàn)了一個潛藏已久的白矮星秘密。
水晶白矮星
在形成后不久,白矮星就變得非常熱,輻射出之前主序星核心曾經(jīng)擁有的強烈能量。在形成后數(shù)十億年間,白矮星將慢慢冷卻,并在某個時間點上,其內(nèi)部的氧和碳將發(fā)生相變——類似于液態(tài)水凍結(jié)成固態(tài)冰。只有在非常極端的溫度和壓力下,碳和氧才會固化形成一個巨大的水晶。
“所有的白矮星都會在其演化過程中的某個時刻結(jié)晶,而更大質(zhì)量的白矮星會更快地經(jīng)歷這個過程,”研究負責(zé)人、沃里克大學(xué)物理系的皮埃爾-伊曼紐爾·特朗布萊在一份新聞稿中說,“這意味著我們星系中數(shù)十億顆已經(jīng)完成這一過程白矮星,本質(zhì)上就是天空中的水晶球。大約100億年后,太陽本身將會變成一顆白矮星。”
特朗布萊的團隊分析了蓋亞任務(wù)的觀測結(jié)果,測量了距離地球300光年范圍內(nèi)15000顆白矮星的亮度和顏色,觀察到某種顏色和亮度的恒星數(shù)量過多(或“堆積”)。他們意識到,這組白矮星代表了恒星演化中的一個相似階段,這個階段具有適合發(fā)生結(jié)晶相變的條件,而這會導(dǎo)致冷卻的延遲,從而延緩恒星老化過程。研究人員還發(fā)現(xiàn),其中一些恒星的壽命延長了20億年。
“這是白矮星結(jié)晶,或者說液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的第一個直接證據(jù),”特朗布萊在聲明中補充道,“50年前就有人預(yù)測,由于固化結(jié)晶作用,我們會在某些亮度和顏色下觀察到白矮星數(shù)量的堆積,直到現(xiàn)在我們才觀察到這一現(xiàn)象?!?/p>
結(jié)晶的白矮星不僅僅是一顆恒星。它們的量子構(gòu)成不同于我們在實驗室里可以重建的任何東西。當(dāng)白矮星物質(zhì)結(jié)晶時,其物質(zhì)在量子水平上變得有序,原子核排列成一個三維晶格,形成一個金屬氧核和一個富含碳的外層。
因此,在太陽這樣的恒星死亡后,它們的故事還沒有結(jié)束。所有的白矮星都會經(jīng)歷這個結(jié)晶階段,在星系中留下大量像鉆石一樣閃亮的恒星殘骸。(任天)
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