詳解！當黑洞、中子星、恆星和行星相撞時會發生什麼？

人類文明科學技術的進步，天文學及其它科學領域的研究發展，現在我們知道，宇宙已經存在了將近138.2億年：有足夠的時間讓引力將物質拉入星團和坍縮的天體中。到目前為止，宇宙中充滿了行星、恆星、星系，甚至更大的結構，它們都是在宇宙膨脹的背景下結合在一起。

兩顆中子星相撞，這是宇宙中許多最重（周期表）元素的主要來源，在這樣的碰撞中，大約有3-5%的質量被釋放出，剩下的就變成了一個黑洞。圖片：DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.

博科園-科學科普：但事情並不是那麼簡單，在我們的銀河系中，雖然空間很大，但實際上有上萬億個天體在數十億年的時間尺度上運動。有些系統中會有多個天體，其之間的碰撞不僅是可能的，而且是不可避免的。無論何時發生碰撞或合併，都會改變倖存下來的東西，下面就跟大家說說宇宙這些發生的故事。

當一個天體與一顆行星相撞時，它會產生碎片並導致附近衛星的形成。這就是地球衛星月亮的起源，也是火星和冥王星衛星同樣出現的方式。圖片：ASA/JPL-CALTECH

Top6、行星和行星的碰撞

在太陽系早期，可能有超過八顆行星，木星和海王星之間可能有第五顆氣態巨星，最佳模擬結果表明它被彈出。但在太陽系內部，相信有一顆火星大小天體界與年輕的地球相撞，產生了巨大的碎片雲，這些碎片聚集在一起形成了現在的月球，巨大的撞擊假說已經被一系列證據證實，包括從阿波羅登月任務中帶回的月球樣本。

與今天看到的兩個衛星不同，一個行星盤的碰撞可能導致形成了火星三顆衛星，在那裡只有兩個衛星存活了下來。圖片：LABEX UNIVEARTHS / UNIVERSIT PARIS DIDEROT

除此之外，也有一些相當好的證據表明火星衛星是被碰撞創造出來的，還有第三顆，更大，但後來又落回到火星上，那是一次大型的原行星碰撞。從科學家所做的所有模擬和積累證據來看，類似大小的岩石行星在太陽系形成早期階段經常發生碰撞。當它們相撞時，就會形成一顆更大的行星，但由碎片組成的雲團會聚集在一起，形成一顆附近的大型衛星，以及幾顆更小、更遠的衛星。冥王星-卡戎星系就是一個引人注目的例子。

由於引力波的作用，像兩顆「分離」棕矮星那樣的「旋進」和「合併」場景需要很長時間。但是碰撞是很有可能發生的。就像紅星碰撞產生藍矮星一樣，棕矮星碰撞產生紅矮星。在足夠長的時間尺度內，這些「光點」可能成為照亮宇宙的唯一光源。圖片：MELVYN B. DAVIES, NATURE 462, 991-992 (2009)

Top5、棕矮星與棕矮星碰撞

想要成為一顆恆星，但是當第一次產生的氣體雲坍塌時，沒有積累足夠的質量從而形成行星？那麼還有第二次機會！棕矮星就像質量非常大的氣體巨星，質量是木星的十幾倍，溫度(約100萬K)和中心的壓力足以點燃氘聚變，但無法點燃氫聚變。棕矮星也產生了自己的光，保持相對的低溫，而且也不是真正的恆星。質量是太陽質量的1%到7.5%不等，是宇宙中失敗的恆星。但是如果在兩個在雙星系統中，或者兩個在完全不同的系統中偶然碰撞，所有的一切都會在一瞬間改變。

這是構成Luhman 16的兩個棕矮星，它們最終可能合併成一顆恆星。圖片：NASA/JPL/GEMINI OBSERVATORY/AURA/NSF

原因是這些失敗恆星的組成幾乎沒有隨時間變化，仍然由70-75%的氫組成，當它們融合在一起時，仍然擁有所有未燃燒的燃料。如果合併後的總質量現在超過0.075太陽質量臨界值，將會創造出一顆新恆星！在一個天體中有這麼多的質量，溫度會上升到超過400萬K的臨界溫度來點燃氫聚變。將會創造出一顆紅矮星：一個真正的m級恆星，而不是兩個棕矮星。附近的雙星系統Luhman 16，離我們只有6.5光年遠，它非常接近於擁有最終成為紅矮星所需的精確參數。

這是一種球狀星團Terzan 5，與銀河系的過去有著獨特聯繫。令人難以置信的古老恆星可以在球狀星團中找到，這些球狀星團是在銀河系附近出現的首批恆星形成「爆炸」遺迹。然而，偶爾在裡面看到的藍色恆星告訴我們，這個故事還有更多東西。圖片：NASA/ESA/HUBBLE/F. FERRARO

Top4、兩顆恆星碰撞

恆星質量千差萬別，質量較低的恆星顯得更紅、溫度更低，燃料的燃燒速度也較慢，而質量較高的恆星則更藍、更熱，壽命較短。當觀察星團時可以通過觀察剩下質量最高的恆星來了解它們的年齡，因為質量最大的恆星死亡速度最快。然而當觀察一些最古老的星團時，會發現這些星團的顏色比我們應該看到的更藍、更熱，它們根本無法與周圍的其他恆星相匹配。然而這些藍色離散的恆星是真實存在的，它們有一個奇妙的解釋：恆星碰撞。

在插圖中圈出的藍色離散恆星，是在較老的恆星或甚至恆星殘骸合併在一起時形成。在顆恆星燃盡之後，同樣的過程也會給宇宙帶來光明，儘管是短暫的。圖片：NASA, ESA, W. CLARKSON (INDIANA UNIVERSITY AND UCLA), AND K. SAHU (STSCL)

任意兩顆(或更多)恆星合併，會形成一顆更大的恆星。即使剩下的都是更紅的恆星，比如0.7倍太陽質量和0.8倍太陽質量的恆星，如果它們合併在一起，就能產生更藍(1.5倍太陽質量)的恆星，即使它們所在的星團太老了，已經沒有剩下1.5倍太陽質量的恆星了。藍離散星在密集的球狀星團環境中很常見，這表明即使在所有像太陽這麼大的恆星燃料被燒完之後很久，宇宙仍然會通過引力合併來創造新的恆星。

對多信使天文學來說，最終事件是兩顆白矮星的合併，這兩個白矮星離地球足夠近，可以同時探測到中微子、光和引力波。已知這些物體會產生Ia型超新星。圖片：NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)

Top3、白矮星與白矮星碰撞

正常的主序恆星在它生命中，燃燒了它將會燃燒的所有燃料，核心變成了一顆白矮星（也未來太陽的命運）。然後在星際空間的深處漂浮著，有機會與另一顆白矮星相撞。白矮星與白矮星的碰撞會導致Ia型超新星產生，這可能是這些大災難產生的最常見方式。當這樣的事件發生時，恆星會經歷一場失控的聚變反應，釋放出大量的光和能量，並徹底摧毀導致該事件的白矮星。

兩顆合併中子星的插圖，圖片：NSF / LIGO / SONOMA STATE UNIVERSITY / A. SIMONNET

Top2、中子星與中子星碰撞

中子星比那些產生白矮星更大的恆星產生，中子星通常存在於多恆星系統中。再一次察到兩顆中子星在一個雙星系統中合併：一個kilonova事件。當這種情況發生時，大量的能量被釋放出來，大量的物質被噴射出來。2017年發生的重大事件標誌著在引力波和電磁輻射中首次觀測到同一天體。

恆星殘骸質量可以用許多不同的方法來測量。這張圖顯示了通過電磁觀測（紫色）檢測到黑洞的質量；由引力波觀測測量的黑洞(藍色)；用電磁觀測測量的中子星(黃色)；在GW170817事件中合併的中子星質量在引力波(橙色)中被探測到。合併的結果是一顆中子星，短暫地，又迅速變成了一個黑洞。圖片：LIGO-VIRGO/FRANK ELAVSKY/NORTHWESTERN

如果兩顆中子星合併，將會有三種結果：

1、變成一個質量更大的中子星(總質量小於2.5倍太陽質量)

2、變成一顆自旋的中子星，然後坍縮成黑洞(總質量低於2.75倍太陽質量)

3、或直接坍縮成黑洞(總質量超過2.75倍太陽質量)

在未來的幾年和幾十年里，科學家希望觀察到許多這樣的事件，以進一步完善這些結論的準確性。

圖示為兩個黑洞合併的例子，與LIGO第一次看到的質量相當。在一些星系的中心，超大質量的雙星黑洞可能存在，產生信號遠比這幅圖所顯示的要強大得多。圖片：SXS, THE SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) PROJECT (HTTP://WWW.BLACK-HOLES.ORG)

Top1、黑洞與黑洞碰撞

黑洞和黑洞合併會得到一個更大的黑洞，但有一個問題：大約會損失5%的質量！人類第一次看到的是一個36倍太陽質量黑洞與29倍太陽質量黑洞的碰撞合併，它們創造了一個更大的黑洞，但其最終質量只有62倍太陽質量！總共損失三個太陽的質量。

損失的質量去了哪裡？它是以引力輻射的形式發射出來：LIGO探測到的引力波在十億光年之外的地球。在持續不到一秒鐘的短暫時間內，兩個合併的黑洞向可觀測宇宙釋放出的能量比其內部所有恆星加起來還要多。

現在美國華盛頓州的LIGO Hanford天文台與洛杉磯利文斯頓市的LIGO Hanford天文台和義大利的VIRGO天文台合作共同觀測。圖片：CALTECH/MIT/LIGO LABORATORY

預計還會發生其他碰撞，如黑洞和中子星、中子星和白矮星、中子星和普通恆星，甚至是黑洞和恆星。活躍星系或微型類星體等物體可能是由吞噬恆星或氣體雲的黑洞觸發。然而還沒有觀察到這些碰撞發生時的任何情況，儘管已經發現了一個「Thorne-Zytkow」候選天體：一顆位於紅巨星核心的中子星。

宇宙是一個非常大的地方，但它遠不是空的。特別是在星系和球狀星團中，行星、恆星和恆星殘骸是非常多的，而像這樣的碰撞是不可避免的會時有發生。結果如何？想要知道答案，都需要我們去努力去探尋這些宇宙事件的奧秘！你覺得答案會自己跑來告訴你嗎？

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

博科園-傳遞宇宙科學之美

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