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萬億年后才會誕生的恒星

從大爆炸到現在,宇宙已經經歷了大約138億年,其中大部分可見物質已經變成了許多不同大小、亮度和壽命的恒星。今天宇宙中的恒星有好多種類型,包括主序星、紅巨星、藍超巨星、白矮星等,但天文學家認為,還有一些恒星與現有的恒星類型都不同,但它們需要再經歷幾十億年甚至數萬億年才有可能出現。

下面,我們就來介紹其中四種可能在遙遠的未來才會出現的恒星。

藍矮星

宇宙中最常見的恒星類型是紅矮星,它是一種質量相對較小、溫度相對較低的恒星。大多數紅矮星的直徑和質量均小于太陽的三分一,釋出的光也比太陽弱得多,有的甚至會低于太陽光度的萬分之一。

因為紅矮星的質量太小了,導致其內部核聚變的速度變得很慢,因此它也擁有較長的壽命。天文學家估計,紅矮星一般可以存活數萬億年,這意味著最早誕生的一批紅矮星如今仍然在太空中閃耀。根據天文學家的推算,一顆質量相當于太陽10%的恒星可以存活近6萬億年,而最小的恒星,如距離地球約40光年的Trappist-1,存活時間可超過10萬億年。宇宙只有約138億年的歷史,這還不到紅矮星的壽命的1%。

我們的太陽只剩下50億年左右的時間就會消耗完所有的氫燃料,并開始將氦聚變成碳,這一變化將觸發太陽向著下一階段演化。它首先會膨脹成紅巨星,然后冷卻收坍縮成密度極高的白矮星,其體積會變得只有地球一般的大小。

相比之下,紅矮星在經歷數萬億年之后,才會消耗掉最后一點氫儲備,并走向生命的末期。那時,紅矮星會在一段時間內會變得非常熱,放射出藍色的光芒,成為一顆藍矮星。紅矮星要進入藍矮星的階段,需要的時間是數十萬億年時間,所以藍矮星不存在當前的宇宙中。

所以,藍矮星是紅矮星的末年,但這還不是它的歸宿,它隨后會開始向內坍縮,而不是像太陽一樣向外膨脹。最終,一旦藍矮星階段結束,剩下的將只是一顆很小的白矮星,這和其他主序星的歸宿是一樣的。

黑矮星

白矮星形成時的溫度非常高,憑借自身的熱量就可以發出光,但是因為內部沒有能量來源,因此它將會逐漸釋放熱量并且逐漸變冷。這樣,白矮星發出的光會越來越暗淡,顏色越來越偏向紅色。經過漫長的時間,白矮星發出的光不能再被看見,變為一顆冰冷的黑矮星。

太陽作為主序星的生命周期總共約100億年,現在太陽已有46億年的歷史了,再過50多億年之后,它將膨脹成一顆紅巨星,并將以這種方式再保持十億年,然后再變為一顆白矮星。美國宇航局的天文學家估計,太陽變為白矮星之后,以這種方式再保持100億年,隨后它才會成為一顆黑矮星,迎來太陽的真正死亡。

2012年,天文學家發現了兩顆有著110億年歷史的白矮星,這意味著它們可能正在向黑矮星轉變的路上。然而,其他一些天文學家估計,恒星可以停留在白矮星階段的時間會長達10萬億年。

白矮星未來的演化還有許多物理學上尚未解決的問題。例如,如果暗物質粒子能與白矮星發生作用,或者質子會發生衰變,這些都會減緩白矮星變冷的速度,導致變為黑矮星可能會需要更長的時間。但不管怎樣,達到黑矮星所需的時間比當前宇宙的年齡要長,所以這種冰冷的星體在當前宇宙中還不存在。

冰凍星

當前宇宙中,氫和氦兩種元素占據了宇宙可見物質的絕大部分,但隨著恒星不斷地將氫和氦合成其他更重的元素,這些重元素的含量越來越高。一些天文學家認為,再過幾萬億年,宇宙中星際氣體中的重元素含量會是如今的十幾倍,在那時,宇宙中會出現一種特別的恒星,其表面溫度只有水的冰點那么高的恒星,這就是所謂的“冰凍星”。

之所以會出現這種恒星,是因為當星際氣體中的重元素含量增加時,這些氣體的不透明度增強了,使得它們更容易發生聚變,進而導致它們所能形成的恒星的最低質量以及最高質量都會降低。在幾萬億年后的未來,恒星的最高質量將只有太陽質量的30倍,而當前宇宙中恒星的最高質量則超過了太陽質量的300倍。

此外,那時的恒星的最低質量只有太陽質量的4%,大致相當于木星質量的40倍。這種質量的天體放到當前的宇宙,它會成為一顆褐矮星。褐矮星是一種比巨行星大,但質量仍太小而不能發生核聚變的天體。換句話說,褐矮星是一顆失敗的恒星。

但在遙遠的未來,由木星質量的40倍的重元素的氣體匯聚成的天體,會成為一顆剛剛合格的恒星,其內部氫能勉強地聚變成氦。這種恒星表面溫度只有大約0℃,它的大氣可能還充滿了由冰構成的云,所以就把這種恒星稱為“冰凍星”。冰凍星的光度還不足目前最微弱的恒星的光度的千分之一,但它的壽命也會變得更長。如果冰凍星真的形成的話,那么與其他恒星相比,它看起來會更像一顆褐矮星。

鐵星

在極其遙遠的未來,如果宇宙像現在一樣不斷地向外膨脹,而不是最終向內發生坍塌的話,那么宇宙中還可能出現一種非常不尋常的天體——鐵星。

這種天體的形成過程是這樣的:一個有著恒星級質量的天體,其內部比鐵輕的元素會通過一種神奇的量子效應,在不需要很高的溫度的條件下就能發生核聚變,最終都會聚變成鐵-56核;而天體內部比鐵重的元素則會通過核裂變或衰變變為鐵-56核,最終使得整個天體變成一個冰冷的鐵球。于是,鐵星就誕生了,但鐵星的形成過程非常漫長,可能需要再經過101500年才有可能在宇宙中出現。

形成鐵星的一個必要條件是質子不能發生衰變。物理學家還不清楚質子是否會發生衰變,如果真的會發生衰變的話,那么還沒來得及出現鐵星,宇宙中所有的原子核就都可能衰變沒了,宇宙最終會變為一片空曠之地,黑暗且寒冷(這種情況就是所謂的宇宙熱寂說)。

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