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世界消息!小個(gè)頭的紅矮星,為啥被科學(xué)家認(rèn)定是生命的搖籃?

時(shí)間:2023-03-03 14:51:52    來(lái)源:科普中國(guó)網(wǎng)    

恒星,是宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的主體,占據(jù)了整個(gè)宇宙可見(jiàn)物質(zhì)的99%。為啥說(shuō)是可見(jiàn)物質(zhì)呢?因?yàn)楝F(xiàn)代科學(xué)研究認(rèn)為,宇宙中真正占據(jù)主導(dǎo)地位的是不可見(jiàn)物質(zhì),即暗能量和暗物質(zhì),這兩種物質(zhì)占據(jù)了整個(gè)宇宙質(zhì)能的約95%。

今天我們不說(shuō)這些看不見(jiàn)摸不著的東西,只說(shuō)說(shuō)活躍在我們視界的恒星。


(相關(guān)資料圖)

恒星的一生大致分為三個(gè)階段,即誕生期、成熟穩(wěn)定期、衰亡期。誕生期和衰亡期占恒星總壽命比例很小,成熟穩(wěn)定期占據(jù)了恒星生命周期的90%以上。這段時(shí)間的恒星叫主序星階段,主要活躍著紅矮星、橙矮星、黃矮星、藍(lán)矮星等恒星。

有人認(rèn)為還有褐矮星,但這種恒星由于太小,核心壓力和溫度無(wú)法點(diǎn)燃?xì)浜司圩?,因此被稱(chēng)為失敗的恒星,我認(rèn)為不應(yīng)該在恒星里算賬。

這樣,真正發(fā)光發(fā)熱輻射太空的恒星就主要是指紅矮星、橙矮星、黃矮星、藍(lán)矮星等恒星了。這些恒星種類(lèi)的劃分主要是依據(jù)恒星的質(zhì)量和光譜,總體上說(shuō),質(zhì)量越大的恒星亮度就越大,因此恒星的光譜類(lèi)型與恒星質(zhì)量密切相關(guān)。

天文學(xué)家們把恒星光譜類(lèi)型劃分為七大類(lèi),即:O、B、A、F、G、K、M。當(dāng)然,每個(gè)光譜類(lèi)型有一個(gè)幅度范圍,因此科學(xué)家們又把這些大類(lèi)每一類(lèi)分出10個(gè)次型,用0~9阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)注,如A1型或G2型等等。

這樣就形成了以太陽(yáng)質(zhì)量為倍數(shù)的恒星質(zhì)量與光譜關(guān)系,按從小到大排列:M型光譜的恒星是指質(zhì)量最小的紅矮星,其質(zhì)量跨度在太陽(yáng)的0.08~0.5倍之間,表面溫度約為2000~3500K,顏色為紅色,亮度約為太陽(yáng)的4%;K型光譜的恒星是橙矮星,質(zhì)量在太陽(yáng)的0.5~0.8倍之間,表面溫度約在3500~5000K,顏色為橙色,亮度約為太陽(yáng)的40%。

再往上就是我們太陽(yáng)所屬的光譜類(lèi)型了,即光譜為G型的黃矮星,質(zhì)量在太陽(yáng)的0.8~1.7倍之間,表面溫度約在5000~6000K,顏色為淡黃白色,亮度在太陽(yáng)0.8倍到6倍之間。我們的太陽(yáng)屬于G2型光譜。

再上去就是藍(lán)矮星了,就是比黃矮星質(zhì)量要大的恒星,分了四個(gè)光譜檔次,即F、A、B、O型。這部分恒星就是中大質(zhì)量的恒星了,少則太陽(yáng)質(zhì)量數(shù)倍,多則數(shù)十倍甚至200倍,表面溫度在7500k以上到60000K,顏色從白色往上到藍(lán)白色,乃至藍(lán)色,亮度為太陽(yáng)的數(shù)萬(wàn)倍到140萬(wàn)倍。

由此可見(jiàn),質(zhì)量越大的恒星,溫度越高,亮度越高。但恒星的壽命卻與質(zhì)量恰恰相反,質(zhì)量越大的恒星壽命越短。

由此恒星壽命差距拉開(kāi)得很大,壽命最短的只有數(shù)百萬(wàn)年,最長(zhǎng)的有數(shù)萬(wàn)億年。這是因?yàn)楹阈琴|(zhì)量越大,核心壓力和溫度就越高,氫核聚變反應(yīng)就越激烈越狂野,燃料消耗得就越快。恒星核心燃料一旦告罄,就到了演化的末期衰亡階段。

恒星的死法也是質(zhì)量越大越激烈,一般太陽(yáng)質(zhì)量0.5倍以上的恒星,到了末期都有可能引發(fā)氦聚變,最終反應(yīng)到碳結(jié)束,這樣會(huì)導(dǎo)致星體膨脹,成為紅巨星,外圍氣體散盡到太空后,核心會(huì)留下一個(gè)很小的白矮星。

而大于太陽(yáng)質(zhì)量8倍的恒星,演化末期內(nèi)部會(huì)發(fā)生熱核失控,引發(fā)超新星大爆炸,最終或被炸得粉碎飄散在太空,或留下一顆中子星;大于太陽(yáng)質(zhì)量30~40倍的恒星,超新星大爆發(fā)后核心留下的是一顆黑洞。

今天我們就不展開(kāi)說(shuō)恒星死亡之壯烈,主要說(shuō)說(shuō)科學(xué)家為啥那么看好紅矮星,認(rèn)為紅矮星是生命的搖籃,或者說(shuō)生命的最終歸宿。

其實(shí)簡(jiǎn)單地說(shuō),就是三個(gè)原因。

第一,紅矮星壽命最長(zhǎng)。

恒星,是生命獲得能量的基本條件,可以說(shuō),沒(méi)有恒星就沒(méi)有生命,更沒(méi)有智慧和文明的出現(xiàn)。而生命和文明是需要時(shí)間來(lái)孕育的,就像太陽(yáng)和地球年齡已經(jīng)46億歲了,生命雖然也經(jīng)歷了幾十億年的發(fā)展和進(jìn)化,但智慧和文明依然很稚嫩,人類(lèi)的活動(dòng)范圍還主要是在孕育我們的地球,以及在地球的附近轉(zhuǎn)悠,飛出太陽(yáng)系更是個(gè)夢(mèng)想。

我們的太陽(yáng)是一顆黃矮星,壽命在100億年左右,現(xiàn)在年齡已經(jīng)到了中年,46億歲了,還有50多億年就會(huì)壽終正寢了,那時(shí),太陽(yáng)會(huì)變成一顆紅巨星,直徑擴(kuò)張到現(xiàn)在的200倍左右,邊緣正好到了地球軌道附近,地球很可能被太陽(yáng)的烈焰氣化吞噬掉。

這時(shí)候,整個(gè)太陽(yáng)系已經(jīng)七零八落,生命早就不復(fù)存在了。研究認(rèn)為,太陽(yáng)從現(xiàn)在開(kāi)始,頂多還能支持生命存在10億年,10億年后,太陽(yáng)的亮度要增加10%,那時(shí)候地球會(huì)海枯石爛,早就不宜居了。

人類(lèi)是否能夠發(fā)展到星際文明,逃出太陽(yáng)系在其他恒星系統(tǒng)或星際空間繼續(xù)生存,誰(shuí)也不知道。但有一點(diǎn)是非常重要的,就是生命的孕育和文明的發(fā)展提升需要穩(wěn)定的空間環(huán)境,因此恒星壽命和穩(wěn)定期是生命和文明發(fā)展的必要條件。

紅矮星是質(zhì)量最小的恒星,根據(jù)恒星壽命規(guī)律,其壽命最長(zhǎng)。按質(zhì)量和光譜劃分,最大的紅矮星以太陽(yáng)質(zhì)量0.5倍封頂,壽命可達(dá)500億年;較小些的紅矮星,壽命都在1000億年以上;更小的紅矮星壽命甚至可達(dá)萬(wàn)億年乃至數(shù)萬(wàn)億年。

紅矮星的超長(zhǎng)壽命,給生命和智慧的孕育和發(fā)展提供了長(zhǎng)久的機(jī)會(huì)。就是人類(lèi)在未來(lái)無(wú)法在太陽(yáng)系待下去的時(shí)候,必然要尋找其他的星際安身之地,最有可能的就是會(huì)尋找一顆紅矮星,依靠那里的穩(wěn)定能量繼續(xù)繁衍生息。

距離我們最近的一顆恒星叫比鄰星,就是一顆紅矮星。比鄰星質(zhì)量約為太陽(yáng)的八分之一,壽命可達(dá)1000億年以上。科學(xué)探測(cè)發(fā)現(xiàn),這顆距離我們4.22光年的弱小恒星有3顆行星相伴,其中兩顆處于宜居帶,具有生命存在的條件。

第二,紅矮星是宇宙中存在最多的恒星。

在我們銀河系有約4000億顆恒星,其中像我們太陽(yáng)這樣的黃矮星約占10%,比太陽(yáng)質(zhì)量大的恒星總量只有約3%,比太陽(yáng)質(zhì)量小一些的橙矮星約占12%,其余的75%就都是紅矮星了。

觀測(cè)發(fā)現(xiàn),距離太陽(yáng)最近的10組恒星中,就有9顆是紅矮星;圍繞著太陽(yáng)較近的50顆恒星中,有80%以上為紅矮星。

進(jìn)一步科學(xué)考察發(fā)現(xiàn),以太陽(yáng)為中心的1500光年內(nèi),不同光譜類(lèi)型的恒星數(shù)量約為:B型星占1%,A型星占1.5%,G型星占13%,K型星占20%,M型星占56%,根據(jù)光譜與質(zhì)量的關(guān)系,紅矮星占據(jù)了絕大多數(shù),與上述估計(jì)相當(dāng)。

宇宙中有如此眾多的紅矮星,且壽命超長(zhǎng),生命和文明不在這種地方孕育發(fā)展,似乎有些天理不容了。

第三,紅矮星有長(zhǎng)久的穩(wěn)定時(shí)期。

生命孕育需要一個(gè)較為安逸的環(huán)境,但早期的科學(xué)研究認(rèn)為,紅矮星并不適宜生命孕育繁衍,當(dāng)然也就不適宜文明孕育和發(fā)展了。

理由是:紅矮星質(zhì)量小溫度低,如果一顆孕育生命的行星要在這種小質(zhì)量恒星的宜居帶,就必須距離恒星很近。所謂宜居帶就是恒星輻射到行星的熱量,正好適宜液態(tài)水的存在,也就是行星氣溫要在0度上下一個(gè)適宜的區(qū)間。

比如距離我們最近的恒星比鄰星,有一顆處于宜居帶的行星叫比鄰星b,距離主恒星就只有約700萬(wàn)公里,只有地球到太陽(yáng)的二十一分之一。由于這種距離,必然會(huì)導(dǎo)致兩種現(xiàn)象,一是行星公轉(zhuǎn)速度必須非常快,這樣才不至于被恒星引力拉入懷抱;二是會(huì)被恒星引力潮汐鎖定,就是一面一直向著恒星。

比鄰星b就是這樣,公轉(zhuǎn)周期只有11.2天,而且已經(jīng)被比鄰星潮汐鎖定,一面受著恒星的炙烤,另一面永遠(yuǎn)背著恒星,沉浸在黑暗和酷寒中。

還有一種理由就是:紅矮星在生命周期早期,一般以耀星的形式出現(xiàn),就是表面極不穩(wěn)定,會(huì)經(jīng)常爆發(fā)出巨大能量的耀斑,這種巨大能量爆發(fā)在太陽(yáng)身上要十幾二十年才會(huì)有一次,而紅矮星身上卻是幾周就會(huì)發(fā)生一次。

這樣,這種巨大的能量輻射襲擊距離很近的行星,不可能讓生命和文明得到孕育。

但科學(xué)家們經(jīng)過(guò)幾十年的跟蹤研究有了新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)知:即便紅矮星的行星被潮汐鎖定,只要這顆行星有大氣層,大氣的流動(dòng)能夠傳遞熱量,即便永遠(yuǎn)黑暗的背陰面也會(huì)有溫暖;而紅矮星度過(guò)早期的狂野階段,后面有大把的時(shí)間處于穩(wěn)定成熟期,這個(gè)時(shí)期比太陽(yáng)類(lèi)恒星長(zhǎng)很多很多,足夠生命的孕育和文明的發(fā)展。

由此,比較之下,現(xiàn)在的科學(xué)界,尤其是天文學(xué)家和宇宙物理學(xué)家們普遍認(rèn)為,宇宙中最適宜生命和文明孕育和發(fā)展的搖籃,或者說(shuō)宇宙文明的最終歸宿,就非紅矮星莫屬了。對(duì)此,各位怎么看?歡迎討論。

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標(biāo)簽: 太陽(yáng)質(zhì)量 表面溫度

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