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揭秘万亿年后宇宙未来图景:将更适合生命生存(图)

www.sinoca.com 2012-05-10  环球科学



  生命的新居

  新生恒星中,重元素的稳步增加会导致两个显著效应。第一,这会增大恒星外层的不透明度。氢和氦几乎都是透明的,但即便是为数不多的重元素也会吸收辐射,降低恒星的光度。恒星内部的力平衡随之就会偏移,因为较低的光度意味着恒星会以更低的速率来消耗核燃料。如果只有这一效应在起作用,那么一颗富含重元素的恒星会比一颗相同质量、但缺少这些元素的恒星活得更久。然而,第二个效应会抵消作用:重元素是核聚变的负担。因为它们不参与核聚变,因此在特定质量的恒星中,重要元素的存在会阻碍恒星获得核燃料,进而缩短恒星的寿命。

  劳克林和他的同事、美国密歇根大学的弗雷德•亚当斯(Fred Adams)在1997年最先对这两个效应进行了研究。他们发现,第一个效应会在未来的数万亿年内起主导作用:在新生恒星中,由于重元素增多,恒星的不透明度升高,进而寿命延长。然而,重元素最终会成为恒星的重要成分,占据相当的比例,然后开始始缩短恒星的寿命。这两个效应的交叉点,就是新生恒星中重元素的比例达到目前值的4倍时。

  重元素还有利于行星与恒星一起形成,因而为生命的出现提供了不错的前景。天文学家已经测量了一些恒星的元素丰度,这些恒星周围有700多颗太阳系外类木行星。他们的结果显示,拥有较多重元素的恒星更有可能拥有一颗或多颗巨行星。“这一现象说明,行星的形成和重元素数量之间存在明确的相关性,”美国加州理工学院的行星搜寻专家约翰•约翰逊(John Johnson)说,“因为星际介质中重元素不断增多,行星出现的概率就可能上升。”

  那类地行星又会怎样?虽然空间望远镜才刚刚开始提供有关类地行星的这类数据,但它们的形成应该也和宿主恒星的重元素丰度相关。这一相关性甚至会更强,因为类地行星几乎全由较重的元素构成。简言之,极为遥远的宇宙应该会充满了行星。尽管恒星的形成速率会变小,但到目前为止,可能还有一半或者三分之二的行星还未诞生。

  最开始,行星的增多似乎生命并没有太大的意义。在极遥远的未来,绝大多数恒星都比太阳小得多,也暗得多。幸运的是,即便是一颗低质量、暗弱的恒星,也能衍生生命。光度仅有太阳千分之一的恒星,就可使距其很近的行星具有合适的温度,维持液体存在所需的温度,满足生命存在所需的可能条件。

  行星不应该只是变得更为普遍,还会含有更多生命所需的物质。除了液态水,地球上的生命以及科学家猜想的几乎所有生命形式还会依赖碳、氮和氧。随着时间推移,这些元素相对丰度的提高应该会形成更多适宜生命存在的行星。因此,随着恒星形成逐步减缓,每一颗新生的恒星拥有一颗或多颗可承载生命的行星的概率应该会逐渐提高。一些新生恒星的质量可能很小,光度可能很低,这使得它们可以持续然绕数千亿或者数万亿年(这并不是说如此长寿的恒星才是生命的起源与演化所必需的条件)。然而,无论今天的宇宙是充满了还是鲜有生命,未来它应该都会拥有更丰富和更多样的生命形式。

  当行星碰撞时

  行星系统的寿命是如此之长,于是新的效应就会显现出来。我们想当然地认为太阳系是稳定的;没有人担心地球的轨道很快会日渐混沌,使得我们和金星相撞。当我们探究几十亿年的时间尺度时,这种确定性就会消失。2009年,法国巴黎天文台的雅克•拉斯卡尔(Jacques Lasker)和米卡埃尔•加斯蒂诺(Mickael Gastineau)对太阳系四颗内行星的未来轨道做了数千次模拟,在每一次的模拟中,他们都会稍微改变这些行星的初始位置(相对上一次)――只有几米的偏离。结果发现,在未来的50亿年里,水星有大约1%的概率会猛烈撞上金星,为更令人毛骨悚然的、可能会牵涉到地球的碰撞埋下了伏笔。在未来1万亿年间,这样的碰撞发生的可能性很高。

  当仙女星系和银河系并合时,这个潜在的碰撞进程就会被打乱,因为它会重构这两个星系的引力场,使太阳系发生大规模重建。正如劳克林在评论拉斯卡尔和加斯蒂诺的结果时所说:“我们现在要弄清楚的是,能如此轻易影响到太阳系的动力学混沌(发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动),能在多大程度上掌控银河系中的行星。”

  在一颗恒星的行星系统中,轨道混沌也会发生在大得多的尺度上。在紧密结合的双星、三合星以及成员更多的聚星系统中,恒星会在相互引力的作用下绕着每个系统的质心运动。对于星团乃至整个星系而言也是如此。在所有这些结构中,恒星几乎永远都不会相撞――虽然在天文学上它们若比邻,但空间的巨大膨胀会让它们相隔天涯。

  然而,在长时间下,“几乎永远都不”会演变成“有时”,最终变成“几乎总是”。每个双星系统最终会在外部引力的作用下瓦解,或由于引力辐射带走系统的能量,而逐渐靠拢进、并合。如果两颗恒星相距较远,双星系统会面对前一种情况;相反,则会遭遇后者。

  当两颗恒星并合的时候,它们暂时会形成一颗质量更大也更亮的恒星。即便是一颗木星这样大的行星也会造成类似的效应,不过是在较小的尺度上。设想一颗质量只有太阳十分之一,寿命接近一万亿年的中等恒星,并假设它有一颗类木行星。 如果这颗行星的轨道运行周期不止几天,那它最终可能会被甩出这个系统。反过来,如果它在更靠近该恒星的轨道上,最后就有可能会和恒星并合,为恒星提供新鲜的氢补给,在短时间内猛烈地提高该恒星的能量输出,产生类似新星的爆发。未来,这样的恒星爆发会不时打断恒星数量和亮度缓慢下降的趋势。就算是一万亿年之后的天文学家也会观测到,在他们的星系里,数目不断减少的恒星中会有一些奇怪的事件发生。
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