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當太陽死去,地球能否逃生?

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圖片來源:pixabay

在《流浪地球》中,太陽即將開始死亡倒計時,地球和人類面臨著滅頂之災,繼而啟動了逃離太陽系的計劃。那麼,當現實世界中的太陽死去時,我們的地球真的有辦法順利逃生嗎?

 

天文學家已經在超新星殘骸——中子星周圍找到了行星,在類太陽恆星屍體——白矮星周圍找到了小行星瓦解產生的塵埃盤,還在流產的恆星——褐矮星周圍找到了新行星正在形成的證據。在這些原本被認為不應該存在行星的惡劣環境中找到行星,不僅表明行星形成過程比過去想像的更頑強,而且暗示,在太陽死亡之時,我們的地球還存有一線生機

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太陽的死亡前奏——向紅巨星的演化| 圖片來源:互動百科

天空中最悲慘的角色莫過於白矮星(white dwarf)。它們並不遵從普通恆星的質量-亮度關係:儘管質量與太陽相仿,白矮星卻是所有恆星中最暗淡無光的,而且正越變越暗。天文學家認為它們連恆星都不是,充其量只能算是恆星的“屍體”。每顆白矮星都曾經像我們的太陽一樣,散發著同樣明亮的光芒。但是在那之後,它逐漸耗盡燃料,步入了暴躁的死亡陣痛階段:它的直徑膨脹100倍,亮度增強10,000倍,而後外部殼層被拋射出去,只留下一個地球大小的發光殘骸。在餘下的無盡歲月裡,它將了無生氣,慢慢變暗,直至一團漆黑。

但這個故事還不夠悲慘,實際情況要更加糟糕。我們和同事已經在銀河系中發現了10多顆特殊的白矮星,它們的周圍環繞著小行星、彗星,甚至還有行星—— 簡直就是整個太陽系的“墓地”翻版。這些恆星還“活著”的時候,每天都會在這些小天體的天空中升起,給它們送去光和熱,加熱土壤、攪起微風。但在這些恆星死亡時,它們會蒸發、吞沒、焚化內行星,只留下那些“居住”在偏遠寒冷地帶的天體。隨著時間的流逝,白矮星還會撕碎並摧毀許多“倖存者”。這些歷盡磨難的行星系統提供了一個機會,讓我們得以一窺50億年後太陽死亡時,我們的太陽係將要經歷的悲慘命運。

天文學家過去一直懷疑,太陽外的其他恆星周圍可能存在行星。不過我們當時設想,應該會在十分類似於太陽的恆星周圍,找到十分類似於太陽系的行星系統。然而,自從15 年前相關發現開始大批湧現,情況立刻變得明朗起來:太陽系外行星系統可以與太陽系完全不同。第一個例子是類太陽恆星(sunlike star)飛馬座51——它擁有一顆質量比木星還大的行星,但主星與行星的間距比水星公轉軌道半徑還小。隨著天文儀器越來越靈敏,天文學家發現了更加古怪的例子。類太陽恆星HD 40307 擁有3 顆行星,質量介於地球的4~10 倍之間,全都在不到水星軌道半徑一半的距離上圍繞主星旋轉。類太陽恆星巨蟹座55A 擁有至少5 顆行星,質量介於地球的10~1,000 倍之間,軌道半徑最短不足水星軌道的1/10,最長則與木星軌道相當。就算是科幻小說裡設想的行星系統,也不可能如此多姿多彩。

白矮星系統則表明,甚至行星系統的主星都不一定要類似於太陽。行星和小行星、彗星之類的小天體可以圍繞著自身比行星大不了多少的天體旋轉。這些行星系統的多樣性絲毫不亞於普通恆星周圍的行星系統。天文學家沒有料到行星系統居然會如此普遍,也沒有料到它們會如此“頑強”,更沒有料到行星形成過程看起來會如此“放之四海而皆準”。與我們太陽系類似的行星系統,可能並不是宇宙中的行星乃至生命最常見的棲息場所。

鳳凰涅槃

儘管今天已被一些人淡忘,但第一顆得到確認的太陽系外行星確實圍繞著一顆與太陽完全不同的恆星—— 中子星(neutron star)PSR 1257+12旋轉。中子星是一類比白矮星更極端的“恆星屍體”,比太陽質量還大的物質被壓縮成小行星大小,直徑只有大約20千米。這種“怪物”是質量超過太陽20倍的恆星發生超新星爆炸時誕生的,這一過程比類太陽恆星的死亡要劇烈得多,因此,很難想像行星可以在這樣的爆炸中倖存下來。此外,這顆恆星爆炸前的直徑可能超過1個天文單位(astronomical unit,縮寫為AU,即太陽到地球的平均距離),而今天已知圍繞它旋轉的行星當中,軌道半徑最大也不超過1個天文單位。出於上述兩個理由,這些行星必定是在爆炸後留下的灰燼中形成的。

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中子星| 圖片來源:Phys.org

雖然超新星爆炸通常會將大部分殘骸拋入星際空間,但仍有少量物質會受到引力束縛,落回恆星殘骸周圍,形成一個旋轉的物質盤——這些盤就是行星形成的溫床。天文學家認為,太陽係就是一團彌散於星際空間的氣體塵埃雲在自身引力作用下坍縮而形成的。角動量守恆使部分物質不會徑直落向新生的太陽,而會在周圍形成一個形如薄煎餅的物質盤。正是在這個盤中,塵埃和氣體凝聚成了行星。超新星爆炸後形成的下落物質盤中也可能發生著類似的過程。

天文學家之所以在PSR 1257+12 周圍發現行星系統,是因為他們檢測到了它發出的射電脈衝計時信號中的周期性偏差。這些偏差產生的原因是,圍繞這顆脈衝星旋轉的行星推動它發生輕微的周期性擺動,從而改變了射電脈沖抵達地球所必須傳播的距離。儘管觀測天文學家對其他脈衝星進行了徹底搜索,但迄今為止,還沒有發現另一個與之類似的行星系統。另一顆脈衝星PSR B1620-26 至少擁有一顆行星,但它圍繞脈衝星旋轉的軌道半徑極短,以至於天文學家認為它不是在下落物質盤中形成的,而更有可能是從另一顆恆星那里通過引力俘獲來的。

然而,美國航空航天局(NASA)的斯皮策空間望遠鏡(Spitzer Space Telescope)於2006 年發現,中子星4U 0142+61 出人意料地發射著紅外輻射。這种红外輻射可能產生於這顆中子星的磁層,也可能來自於圍繞它旋轉的星周盤(circumstellar disk)。這顆中子星形成於大約10 萬年前的一場超新星爆發,而行星凝聚成形通常要花100 萬年左右的時間,因此如果這种红外輻射確實是一個物質盤存在的信號,總有一天,它會形成一個類似於PSR 1257+12 的行星系統。

小行星甜點

許多白矮星也有物質盤,但情況稍有不同:這些盤表明確實有天體圍繞著白矮星旋轉,而不僅僅表示它有能力形成這些天體。和中子星4U 0142+61 一樣,線索就是意想不到的紅外輻射。第一條線索可以追溯到1987 年,當時NASA 的地面天文台之一、位於夏威夷莫納克亞山頂的紅外望遠鏡發現,白矮星G29-38 發出的紅外線亮度超過預期。過量紅外線的光譜對應的物體溫度為1,200 K,遠遠低於白矮星的表面溫度12,000 K。

天文學家最初認為,這顆白矮星肯定擁有一顆溫度較低的伴星。但到了1990 年,他們證明紅外輻射的變化與白矮星自身的亮度變化保持一致,說明這種輻射是白矮星星光反射或者“再加工”的結果。最可信的解釋就是,紅外輻射來自於被這顆白矮星加熱的星周盤。

這顆白矮星還有另一個特性:它的最外層含有鈣、鐵之類的重元素。這一點非常古怪,因為白矮星表面附近的引力場極強,足以使這些元素下沉到白矮星內部。2003 年,本文作者之一尤拉提出了一個簡單的解釋,能夠同時說明紅外線的過量和重元素的存在:這顆白矮星新近瓦解了一顆闖入它強大引力場的小行星。一系列碰撞將小行星殘骸磨碎,形成一個圍繞白矮星旋轉的塵埃盤,緩慢但穩定地將塵埃物質撒落到白矮星上。

此後的觀測證實了這一理論。使用地面望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡,天文學家已經辨認出大約15 顆白矮星,擁有類似的紅外線過量和元素異常。在G29-38 和其他7 顆白矮星上,斯皮策望遠鏡還更進一步辨認出,紅外輻射源自於塵埃盤中的矽酸鹽。這些矽酸鹽與太陽系中的塵埃粒子所含的矽酸鹽非常相似,與星際空間中塵埃所含的矽酸鹽卻大相徑庭。此外,儘管這些白矮星的外部殼層含有重元素,但不同元素的含量各不相同。相對於通常保持固態的元素(比如矽、鐵和鎂),揮發性元素(比如碳和鈉)的含量明顯不足。這種元素分佈與太陽系中的小行星及岩質行星相符。所有這些觀測事實都支持這樣一個結論:這些塵埃盤是由被撕碎的小行星構成的。

白矮星周圍的這些塵埃盤,要比新星恆星周圍孕育出行星的星周盤小得多。根據塵埃盤發出的紅外輻射判斷,盤的直徑大約只有0.01個天文單位,所含物質的質量也只相當於一顆直徑30千米的小行星——這一事實與它們可能起源於小行星瓦解的理論相符。這些塵埃盤不是新行星潛在的孕育之地,而是行星物質可以在恆星死亡過程中倖存下來的明證。理論計算顯示,如果小行星和類地行星的軌道半徑大於1個天文單位,它們就可以躲過這一浩劫。當我們的太陽死亡的時候,火星應該能夠劫後餘生,但地球的命運就不好說了。

為了研究行星系統的不同部分如何能夠在恆星死亡的大災難中“存活”,斯皮策望遠鏡兩年前觀測了白矮星WD 2226-210。這顆白矮星非常年輕,以至於死亡前的那顆類太陽恆星的外部殼層至今仍然清晰可見。這些被拋射出去的物質構成了最著名的行星狀星雲之一—— 螺旋星雲(Helix nebula)。

觀測結果表明,WD 2226-210 恰好提供了失落的一環,將類太陽恆星與G29-38 之類的老年白矮星連接了起來。一個塵埃盤在距離這顆白矮星100 個天文單位的地方圍繞它旋轉,這一尺度與我們的太陽系大致相當。這個盤的延伸範圍比其他白矮星周圍的塵埃盤大得多——事實上由於它半徑過大,不可能是由被白矮星引力粉碎的小行星構成的。因此,這個盤必定由小行星和彗星碰撞時釋放出來的塵埃構成。類似的殘骸盤也存在於太陽和其他類太陽恆星的周圍。

這一發現證實,當類太陽恆星死亡時,遙遠的小行星和彗星能夠倖存。如果小行星和彗星能夠倖存,生命力不比它們差的行星應該也可以倖存下來。隨著WD 2262-210逐漸冷卻,它發出的能照亮塵埃的光將越來越少,遙遠的小行星和彗星帶將隱匿於黑暗之中,無法再被我們看到。但是偶爾,其中某顆小行星(或者彗星)會遊蕩到足夠靠近白矮星的地方,被它的引力撕碎,形成一個我們在年老白矮星周圍看到過的塵埃盤。

流產恆星

第三類擁有行星又與太陽完全不同的恆星是褐矮星(brown dwarf)。儘管名字相似,但褐矮星與白矮星截然不同。褐矮星並不是恆星“屍體”,而是“發育不良”的恆星。它們的形成過程與恆星相同,但“生長發育”受到了阻礙,質量還不足太陽的8% ——只有超過這個質量下限,恆星核心才能足夠熾熱、足夠緻密,點燃可以持續發生的核聚變。因此,褐矮星無法維持核聚變,只能將它們形成過程中積聚的熱量(或許還有早期短暫核聚變產生的能量),通過微弱的紅外輻射釋放出去。過去15年來,天文巡天觀測已經發現了數百顆褐矮星,其中質量最小的甚至還沒有巨行星大。

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褐矮星| 圖片來源:Wikipedia

天文學家已經發現,即使最小的褐矮星也可以擁有塵埃盤,因此有可能擁有行星。觀測數據顯示,褐矮星的塵埃槃經歷過一系列由塵埃粒子凝聚而產生的系統性變化,包括矽酸鹽發出的超量紅外輻射在光譜中突然出現強度下降——這些數據支持了褐矮星可能擁有行星的觀點。同樣的變化在較大恒星周圍的塵埃盤中也出現過,標誌著行星“建築原料”正在形成。褐矮星塵埃盤中包含的物質不足以形成木星大小的巨行星,但形成天王星或海王星大小的行星還是足夠的。一些天文學家聲稱已經發現了在褐矮星周圍形成的行星,但至今還沒有任何一項發現得到證實。

總之,天文學家已經在至少一顆中子星周圍發現了多顆行星;在十幾顆白矮星周圍發現了小行星和彗星;還在褐矮星周圍發現了行星形成早期階段的證據。研究這些太陽系外行星系統,最終有兩個目的

第一,天文學家希望能夠進一步了解我們所在的太陽系,特別是它的演化和大尺度結構,這些特徵很難從我們短暫的一生和有限的空間視角中被察覺到。我們還希望能了解太陽系的地位。它是一個普通的行星系統還是一個特例?儘管行星系統千變萬化,但它們在形成階段是否經歷過一些相同的過程?太陽系中小行星的物質成分與掉入白矮星的物質十分相似,暗示這個問題的答案是肯定的。

第二個目的,是確定生命在宇宙中有多普遍。在我們銀河系中的鄰近區域裡,褐矮星的數目幾乎與恆星相當。距離太陽最近的“恆星”有可能是一顆尚未被發現的褐矮星嗎?距離太陽系最近的行星會不會圍繞著一顆褐矮星運轉?NASA發射的大視場紅外巡天探測器(Wide-field Infrared Survey Explorer,縮寫為WISE),或許會發現比已知距離最近的恆星更靠近太陽的褐矮星。褐矮星周圍類地行星的形成不僅會拓展潛在的生命棲息地,而且還帶來了這樣一個激動人心的可能性:距離我們最近的地外生命,可能會在一顆褐矮星的照耀下茁壯成長。

與此類似,白矮星周圍小行星和彗星的存在也預示,不僅行星可以在類太陽恆星的死亡中倖存下來,就連生命或許也能在死亡恆星周圍的偏遠地帶得以延續 ——如果它們能夠適應環境變化的話。也許,到了那個時候,白矮星就不會像現在看起來這樣悲慘了。

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