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太阳附近的定时炸弹,天狼星离爆炸只差一步,为何哑火了

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最近和朋友们聊了太阳周围10光年内的恒星,引起了广泛的讨论。一位朋友评论说:距离太阳8.6光年的天狼星是一颗埋藏在太阳附近的定时炸弹,未来会爆炸,十分危险!这究竟是杞人忧天还是未来真的会发生的事件呢?这里面涉及到了许多很好玩的天文知识,我和大家一起掰扯掰扯。


天狼星

“短命”的天狼星A


在太阳周围10光年以内的恒星中,天狼星A是质量最大的一颗。它的质量约为太阳的2.06倍,表面温度高达9940K,光度是太阳的25.4倍。质量越大的恒星,核聚变就越剧烈,寿命也就越短。太阳能活100亿年,天狼星A大约只有10亿年左右的寿命,而它现在的年龄已经大约2亿~3亿年了。


天狼星双恒星系统

天狼星A寿命居然只有10亿年左右,你怎么知道的?其实恒星的寿命是可以计算出来的。就是这个公式:
恒星寿命τ=100亿年×恒星质量M/恒星光度L
这里的100亿年是太阳的寿命,恒星质量和恒星光度都是太阳的倍数。天狼星A的质量是太阳的2.06倍,光度是太阳的25.4倍,将其代入公式可得:
天狼星A的寿命=100亿年×2.06/25.4≈8亿年。
科学家综合考量各种因素,通常认为天狼星A的寿命在8~10亿年左右,大约为太阳的十分之一。


天狼星A

简单说一下这个公式的原理,这个公式依据恒星的质量和光度的关系来计算恒星的寿命。质量越大的恒星,核聚变反应越剧烈,恒星的光度(可以理解为功率)就越大。像天狼星A质量只比太阳增加了1倍多点,但光度却增加了25.4倍,这就意味着虽然恒星的燃料多了,但燃料消耗速度长得更快,结果寿命大大缩短了。关于恒星的寿命的计算,咱们以前详细科普过,感兴趣的朋友可以去我的主页搜索看看。


天狼星A与太阳

这么算来,天狼星A的寿命还剩大约5~8亿年。在它生命的最后阶段会发生什么?它会不会“爆炸”?大约5~8亿年后,天狼星A核心的氢会耗尽,核心失去能量后开始收缩,外围的氢壳层被点燃,恒星外层急剧膨胀。它会变成一颗红巨星,半径可能会膨胀到现在的数百倍。那时候的地球夜晚会出现一颗极其明亮的深红色星星,视星等亮度可达-5.5~-8等,亮度远远超过了明亮的金星。想想是不是很壮观?
好在天狼星A的初始质量远小于8倍太阳质量,它最终不会发生超新星爆炸,而是平静的演化成一颗白矮星。

“已死”的天狼星B


既然天狼星A不会“爆炸”,那我们还担心什么呢?其实给我们带来潜在威胁的不是天狼星A而是它的伴星天狼星B。


天狼星A与天狼星B

天狼星B是一颗白矮星。这说明它是一颗死去的恒星。天狼星B曾经也是一颗主序星,根据恒星演化模型,天狼星B最初的质量可能比天狼星A还大,估计是太阳质量的5倍左右。当然,质量越大,死得越快。天狼星B可能用了不到1亿年就烧光了核心的氢,最后变成了一颗白矮星。而它就是我们所说的“定时炸弹”。
天狼星B已死,对我们还有什么威胁?怎么成了“定时炸弹”了呢?原来天狼星B这颗白矮星可不一般。它是已知的最大质量的白矮星之一,质量约为太阳的1.02倍。白矮星是存在质量上限的,即钱德拉塞卡极限,约为1.44倍太阳质量。典型白矮星的质量约为0.6倍太阳质量,而天狼星B的质量却达到了白矮星质量上限的约70%。


天狼星B与地球比较

那么问题来了,如果不断给白矮星增加质量,达到白矮星的质量上限会发生什么?一旦超过1.44倍太阳质量这个临界值,支撑白矮星的电子简并压就会崩溃,白矮星就会爆炸成为Ia型超新星。

Ia型超新星:宇宙中的定时炸弹


白矮星超过质量上限会爆炸成Ia型超新星,那什么是Ia型超新星?它是宇宙中最剧烈的爆炸之一。当一颗碳氧白矮星通过吸积伴星物质,使自身质量增长到约1.44倍太阳质量——也就是钱德拉塞卡极限时,电子简并压就无法继续支撑星体,核心处的碳和氧会在几秒钟内发生失控聚变,从而发生猛烈爆炸。这种爆炸的威力极其惊人。它的光度可以达到太阳的50亿倍,几秒到几周内释放的能量相当于太阳一生释放的能量总和。而它自己,一颗跟地球一般大小的白矮星会被炸得粉碎。理论上,如果爆炸发生在50光年范围内,地球上的生命就会受到极大威胁。而天狼星B离地球只有8.6光年。


Ia型超新星

聊到这里,朋友们可能已经捕捉到Ia型超新星爆发的关键条件了——白矮星通过吸积伴星物质增加质量。而天狼星B的身边恰好有天狼星A。它会不会从天狼星A那里吸积物质增加质量呢?况且,天狼星B只需吸积大约0.42倍太阳质量的物质就能被“引爆”了。这情况会不会发生呢?这就是我们最担心的地方。

引爆定时炸弹的关键条件


天狼星B能否从天狼星A那里获取足够的物质来引爆Ia型超新星爆炸,关键取决于一个条件:天狼星A成为红巨星后,膨胀的表面有没有超出它的“洛希瓣”。什么是洛希瓣?它是指一个天体周围引力仍然占主导的区域边界。一旦恒星的表面膨胀到超出自己的洛希瓣,外层物质都会越过边界,被伴星的引力捕获。但有一点,它离伴星越远,洛希瓣就越大,恒星物质就越不容易流出去。天狼星A与天狼星B之间的平均距离约为20个天文单位(备注:1天文单位≈1.5亿公里),相对较远。


洛希瓣


那么,天狼星A的洛希瓣是多少呢?直接给出答案:约为3.6个天文单位。根据恒星演化模型,膨胀成红巨星的天狼星A最大半径不会超过2.4天文单位。显然,天狼星A的红巨星外层始终没有超出自己的洛希瓣,它的物质不会被天狼星B吸过去。
那你可能会问:天狼星A变成红巨星时,恒星风会让它损失大量物质,天狼星B总能“捡到”一些吧?这倒也是,天狼星B一直在吸积天狼星A吹出的恒星风,但吸积率极低。要是天狼星B靠喝“西北风”来增加质量,恐怕是把天狼星A熬成了白矮星也攒不够0.42倍太阳质量啊!这种情况也不会引爆天狼星B。


白矮星吸积伴星物质


显然,天狼星B没法从天狼星A那里获取物质,那么它这颗“定时炸弹”永远不会爆炸。天狼星会爆炸威胁地球,这个担心完全是杞人忧天啊。
但这并不意味着,所有跟天狼星A和B这样的主序星与白矮星组合的双恒星系统都不会引发Ia型超新星爆炸。目前观测到的离我们最近的未来有可能发生Ia型超新星的系统是飞马座IK系统。那里的白矮星和伴星之间的距离近到物质可以高效转移。幸运的是,它离我们有150光年,远超50光年的参考危险范围。所以,太阳系周围是非常安全的。或许正是这份安全,我们才有机会出现在宇宙中。不得不说,我们真的是太幸运了。你觉得是不是这样呢?评论区一起聊一聊吧!

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