光能战胜黑暗,但黑暗不能战胜光。》——唐纳德·L·希克斯
白天,大地万物都在阳光的滋润下;夜晚,天空并不漆黑,而是满天繁星。在宇宙中,无论我们向哪个方向看,终究会看到一丝光。但宇宙中的恒星最终会消亡,只剩下不发出任何可见光的黑矮星(宇宙目前不存在)。虽然黑暗最终会占上风,但至少需要数万亿
但是问题又来了:我们知道宇宙中有“失败的恒星”褐矮星,它们也有双星系统,例如:卢曼16,距离我们大约6光年从我们这里,是一个双棕矮星系统。矮星的轨道衰变并合,会不会形成一颗红矮星?如果是这样,未来宇宙还会有恒星。
我们看到的恒星会越来越少以及未来的星系
今天,我们用现有最好的仪器观测宇宙,很容易得出宇宙中的“物质”似乎是无穷无尽的结论。因为我们看得越久,看得越远,就会看到越来越多的星系!
无论我们从哪个方向看天空:
在银河系的中心,
在星云或星团的中心,
在我们银河系之外,
甚至在一块看起来完全空无一物的空白区域,我们都会发现大量的发光物体。当然,这些发光体要么是单颗恒星,要么是恒星的集合体,要么是星系或星系团。
不过,虽然我们银河系大约有4000亿颗恒星,可观测宇宙中至少有2000亿个星系(这是一个下限),但未来我们看到的星光会越来越少,而不是越来越多。
为什么会这样?有两个原因,一个影响最远的光源,一个影响最近的光源。
宇宙以暗能量为主。
我们通过了三个独立的,不连贯的测量(宇宙微波背景线,遥远的Ia型超新星和重子声学振荡)证实物质不是我们宇宙中的主要能量形式。相反,构成我们的普通物质和大约是我们五倍大的暗物质,只占目前总能量的三分之一,另外三分之二是一种新的能量形式,暗能量固有
大约60亿年前,当暗能量主导宇宙的膨胀时,距离我们很远的星系开始比以前更快地远离我们。随着时间的推移,这些星系离我们越来越远,它们今天发出的光在未来的任何时候都无法到达我们这里。这是因为在暗能量空间的影响下,空间呈指数级快速扩张。
就目前而言,在大约1000亿至1500亿年后,我们所在的星系群(仙女座星系、银河系、三角座星系、麦哲伦星系以及大约40至50个其他矮星系)将合并成一个巨大的椭圆星系银河在很长一段时间内。由于暗能量,所有其他外星星系都会加速远离我们,以至于我们再也看不到任何外星星系。但是在我们的新家Milkdromeda中,我们仍然拥有大量的星星。
但这些星星只会存在有限的时间,因为...
宇宙正在慢慢耗尽星星的燃料。
现在宇宙中恒星形成的速度比以往任何时候都低:只有数十亿年前峰值的3%。当银河系和仙女座星系合并时,会发生恒星形成的爆发(称为星暴星系),但在那之后,恒星形成的速度会急剧下降。
大多数大质量恒星会变成超新星,而质量较小的类太阳恒星会在行星状星云中炸掉外层,而它们的核心会收缩形成白矮星。随着时间的推移,这些超新星和行星状星云释放出大量未燃烧的燃料(氢和氦),因此新恒星将能够继续形成数万亿年。然而,恒星形成的速度应该会继续下降,因此从现在起数万亿年后,即使是一颗恒星从气体云中形成也将是极其罕见的事件。
宇宙中还存在大量“失败的恒星”
有一点我们需要考虑:质量最小的恒星寿命最长。真正的恒星和“失败的恒星”(或褐矮星)的分界线是它的核心是否能将氢聚变成氦,这需要至少400万摄氏度的核心温度。它的质量需要大约是太阳质量的7.5-8%,这代表了褐矮星和红矮星的分界线。质量最低的红矮星需要大约20万亿年才能消耗掉它们自己的燃料,这个寿命比任何其他恒星都要长,甚至与宇宙目前的年龄相比也是如此。
此外,红矮星的命运最简单:红矮星不会死于灾难性超新星或在行星状星云中炸毁外层,而是可以将其100%的氢转化为氦,最终收缩形成氦白矮星。
宇宙中类型最多的恒星是M型星,即红矮星,大约每4颗星中就有3颗属于这一类。考虑到这一点,并补充说所有类太阳恒星都会变成红巨星,脱落外层,变成碳氧白矮星,我们可能预计,在大约100万亿(10^14)年内,将会有只有剩下的白矮星散落在整个太空中。
这些白矮星将保持“白色”大约1-10千万亿(10^15或10^16)年,直到它们冷却到足以(通过开尔文-亥姆霍兹机制)不再发出任何带光,转动变成黑矮星。在这一点上,我们可能会认为这可能是我们最后一次在宇宙中看到任何光。剩下的就是黑暗。
但是近年来,通过WISE的红外巡天,我们发现,除了我们所知道的所有恒星类型之外,在气态巨行星和最小的恒星之间,还有大量的“失败恒星”大量的。如果我们观察离地球最近的恒星系统,我们会发现一个褐矮星双星系统!就像两颗红色的低质量恒星可以合并成一颗蓝色的、质量更高的恒星一样,两颗低于燃烧氢质量阈值的褐矮星也可以合并成一颗真正的恒星!
两个棕矮星组成了Luhman16
所以最大的问题是,它们什么时候会合并,还有什么其他因素可能会改变它们的命运呢?
由于引力辐射驱动的轨道衰变,Luhman16的棕矮星将需要大约10^60到10^150年的时间相互螺旋并合。据估计,这两个天体的质量约为太阳质量的4%,因此当它们合并时将形成一颗真正的恒星。
但是还有另外两件事可以改变这个特定系统的命运。
星逃逸
如果这两颗星完全孤立,它们最终会盘旋向彼此并合。但是恒星大部分时间都生活在一个由一万亿(或更多)颗恒星和恒星尸体组成的星系中。有时一颗恒星会非常频繁地经过这些褐矮星中的一个(或两个),每次经过都有机会与其中一个褐矮星更紧密地结合,并将另一个褐矮星踢出系统!让星星逃跑,这就是逃跑的星星。
当然,这种情况很少发生,但如果有足够的时间,即使是不可能的事情也有可能发生。此类事件发生的平均时间约为10^18年。
天体可以碰撞出壮观的结果!
根据碰撞的情况,可能会发生几种情况:如果两颗中子星碰撞,它们会产生黑洞和伽马射线暴。当两颗重(碳氧)白矮星碰撞时,会发生Ia型超新星。如果两颗轻(氦)白矮星相撞,它们将点燃氦聚变,形成一颗红巨星。如果两颗褐矮星相撞,它们要么产生质量更大的褐矮星,要么产生一颗新的M级红矮星。此类事件的平均事件规模为10^21年。
所以,除非两颗棕矮星的轨道非常接近(按比例计算,小于水星到太阳的轨道)以防止对方逃逸,否则即使在遥远的未来,两颗棕矮星也不会发生合并。
但是只要褐矮星不被驱逐,就有可能与其他天体相撞。考虑到宇宙中会发生氦白矮星碰撞并合,以及大量褐矮星碰撞并合,时间尺度为10^21年,可以合理假设即使在最后一颗恒星燃烧殆尽之后,我们会在遥远的未来偶尔看到罕见的新星。
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