恆星系統的生和死，在一顆恆星的生命周期中會經歷什麼？

作者：文/虞子期

縱然宇宙處在時刻變化之中，但人類的求知慾望和探索能力也在與日俱增。雖然，在這個神秘而龐大的宇宙世界裡，還有很多科學家們至今仍無法解答的疑惑。但也通過時間和偵探，對地球之外的世界有所了解，比如行星系統的生和死。行星和恆星是如何形成的？我們又是怎麼來到這裡？以及在一顆恆星的生命周期中，會經歷什麼？當行星死亡之時，又會遭遇怎樣的境遇？

一顆星星的誕生需要多長時間

即將誕生的恆星和行星，都始於一團難以想像的「冷雲」，它包含了能萌發全新世界的種子。氫氣和氦氣分子因為重力而減速，並聚集在一起；鐵、硅酸鹽和富含碳的材料混合形成了灰塵，當塵埃粒子旋入這些物質的中心結，會將一些氣體的能量傳送回太空，雲會因此變得更冷。伴隨著更多的塵埃和氣體被吸入其中，雲的「口袋」也變得更厚，此時，一個明亮的「熱球」正在它的中心開始逐漸形成，並且在這場重力和氣體、磁場的壓力對抗中，重力正在取得屬於自己的勝利。

當「嬰兒」時期的星星形成後，星係數十億顆恆星的引力拖拽，可能加速並震動了天然氣體，又或是兩個雲的相互撞擊導致了某些氣體的聚結，那些變成扁平狀結構的向內螺旋的材料，就成為了吸積盤。當然，也可能是因為一顆巨大恆星的爆炸，才導致了形成的恆星雲被強烈的物質風吹入，並造成了新生星星的死亡。在同一個過程中，很可能會發在同一個分子雲中的幾十個、甚至是幾千個地方，用通俗的語言可以表達為：分子雲就像地球雲，雨滴就好比是星星，當來自這些雲層的氣體坍塌碎裂之後，在0到10萬年的時間裡，會形成大批的「嬰兒」星星，這也是為什麼星星經常會形成一個較大的群體。

在銀河系和其他大多數的星系中，最可能形成的恆星類型，大小是做不到自我維持的。紅矮星的質量是太陽質量的十三分之一到二分之一，代表了銀河系四分之三的恆星，因為其燃燒緩慢，所以它們的壽命將比現在的宇宙更長。相對更罕見的類太陽恆星數量，仍然佔到星系的8%。一顆年輕的恆星被稱為「原恆星」，直到它可以通過氫聚變反應為自身供電。要成為一個真正的恆星，它必須自發地融合氫原子形成氦，以釋放出巨大的能量。穩定恆星核心，使其停止收縮的整個過程，可能需要大約4千萬年。而最終形成的是什麼樣的恆星？則取決於其可用的材料。

如何知道磁碟中有無行星形成

新生的恆星，可以從周圍旋轉的氣體和塵埃中獲取自己需要的養分，然後射出猛烈的磁性加速物質流，只要沒有另一個恆星系統和它足夠近，並發生相互作用，那麼在整個生命周期中，同樣的旋轉都可以保留在該系統中。在整個系統中，主要是由氫氣和氦氣組成，並且，氣體比氣體中的灰塵多100倍左右。塵埃，對於形成含有碳和鐵等元素的行星而言至關重要。當時間過去大約10萬年之後，雲會開始變得稀薄，此時就可以顯示出兩種完全不同的結構。它們是新生恆星，以及蓬鬆的塵埃盤和彌散氣體。我們還可以通過螺旋和間隙，以判斷該磁碟中是否由行星形成。

從行星「嬰兒」時期一開始的螺旋形狀，到行星變大後在磁碟中划出的差距，科學家們可以通過尋找磁碟中的特徵，了解可能形成行星的地方。比如，ALMA所研究的神秘系統TW Hydrae。這個已知的距離最接近的恆星，仍然有一個距離它175光年的富含氣體的原行星盤；在過去幾年中，通過對HL Tau恆星的研究，也揭示了這個磁碟中的間隙，使它看起來像環，可能是「嬰兒」行星的足跡，當時的這一發現，也成了該領域的一次重大飛躍。

行星的形成不到磁碟質量的1％

在磁碟中較冷的地方，冰的微小碎片會附著上灰塵，骯髒的雪球可以聚集成巨大的行星核心。在這些較冷的區域，允許氣體分子減速到足以被吸引到行星上的程度。在更加溫暖的圓盤中，岩石行星在冰冷的恆星形成後形成 ，並且沒有大量的氣體供行星阻礙。科學家們曾捕獲了年輕行星PDS 70b的罕見圖像，其500萬年的歷史，僅佔地球年齡的0.1％多一點，它比木星更大，並且仍然可以增長。在其圓盤上，通過引力形成了一個很大的間隙，比我們太陽系中任何行星的溫度高。

現在我們所看到的太陽系統，只是那些在初始過程中倖存下來的東西。在我們歷史的最初幾百萬年里，可能有早期的行星實際遷移並被太陽吸收。氣體的存在，有助於固體材料顆粒粘在一起。灰塵團從鵝卵石般大小，變成更大的岩石，在這個過程中有的分崩離析，但其的一部分卻堅持了下來。這些是行星的基石，有時也被稱為「星子」。「嬰兒之星」仍在拋出極熱的風，被質子和中性氦原子的帶正電粒子所控制。行星的形成不到磁碟質量的1％，而一旦行星形成，它們就不會一直停留在原地，並且，每個行星系統最終都會像進入中年。

在大約1-10億年的時間裡安頓下來

如果將我們所在的太陽系生命周期比喻為人的一生，那麼現在的太陽系正當中年。在大約一億到十億年的時間裡，行星會傾向於在它們的軌道上穩定下來，而恆星也不會爆發太多。但是，通過科學家們對太陽系外的行星的研究發現，以七個地球大小的岩石行星而聞名的一顆恆星TRAPPIST-1，形成於54億至98億年前的某個地方，大小為太陽的9％，是一顆極微弱的M矮星，但它比我們的太陽系更安全。並且，它的所有行星都非常靠近，位於水星軌道內。

在我們的太陽系中，已無法找到大小與木星相同或更大、軌道距離主星更近，並且經歷灼熱高溫的熱木星。但是，我們原本可能有一個被太陽吞噬的熱木星，但很多星球會在其他甚至更老的系統中倖存下來。比如，科學家預計年齡為55億年的HAT-P-65b和預估年齡為47億年的HAT-P-66b。在圍繞其他恆星的其他外來行星中，包括達到地球質量10倍的大型岩石行星 「超級地球」 ，以及被稱為「迷你海王星」的小型氣體行星。在我們太陽系的時代，現在看上去是相對平靜的，但隨著恆星逐漸變老，最終可能會消滅它的一些行星。

進入紅巨星階段時軌道將會擴展

從現在開始，大約60億年後，我們的太陽會進入紅巨星階段，核心逐漸耗盡燃料，隨著氫氣融合減緩，核心將再次收縮。越來越小的核心會加熱，然後啟動另一輪核反應，以將氦氣融入到較重的元素。較熱的核心使氫熔化在核心周圍材料的「殼」中，恆星深處產生的額外熱量，將導致其外層氣體膨脹。在強烈的陣陣爆發中，垂死的恆星拋出外層的物質，紅巨星階段的結束，通常也是恆星生命中相對更暴力的時期。

當紅巨星失去質量時，恆星在其行星上的引力會變得更弱，因此它們的軌道將會擴展，行星的軌道也可能變得不穩定。在我們自己的太陽系中，太陽會膨脹得太多，以至於它會融化、蒸發，并吞噬一些內部岩石行星，太陽將會甩掉大約一半的質量。由此，外行星的軌道也會向外漂移，並在此處沉降兩倍，當接近燃料燃燒壽命的終點，太陽將變得更加明亮，且變得更大，它的直徑會變得很大，以至於可以從倖存星球的表面填滿天空。那麼，太陽和星星會像火焰爆炸般的一樣死亡，還是會因為小小的嗚咽而崩潰？

燃料耗盡、氣體排出後的死亡和新生

當前紅巨星的核心耗盡了所有的燃料，並將所有的氣體排出之後，剩下的密集恆星煤渣被稱為白矮星。白矮星被認為是「死」了，因為它內部的原子不再融合，無法產生恆星能量，但為它太熱了，所以仍然呈現出「閃耀」的狀態，最終，它會冷卻並從視野中消失。宇宙中幾乎每顆恆星最終都會經歷，從紅巨星到白矮星的過渡。我們的太陽，將從現在開始的大約80億年後到來。儘管極低質量的恆星，需要比現在的宇宙時代更長的時間才能到達。當然，行星也可以出生在超新星。

如果一顆恆星非常巨大，它可能會沿著不同的路徑，擴展成一顆超巨星，並最終爆炸成超新星，來自超新星的衝擊波可以觸發新恆星的形成，在死亡之後創造新的生命。雖然，在超巨星周圍，到目前為止沒有發現有一天會爆炸的行星。但這並不意味著他們不在那裡，雖然超巨星是非常罕見的，但它的耀眼程度遠遠超過任何軌道物體。超巨星包含多層不同種類的原子融合，能夠產生巨大的能量輸出，只是我們的技術可能還不夠先進，所以暫時無法找到它們的行星，超級巨星可能稍縱即逝，但他們的爆炸在這個事件中起著重要作用。

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