天文学家最近在分析恒星的死亡方式时,发现了一件挺反直觉的事:我们的太阳在几十亿年后走到生命尽头时,并不会安静地熄灭,而是会像一个失控的洒水器,一边疯狂喷出物质,一边在太阳系里被反作用力踹得到处乱跑。这件事本身听起来很激烈,但真正有意思的是背后的机制——它关乎一个你中学物理就学过的定律。

加州理工学院的研究人员吉姆·富勒(Jim Fuller)计算出了一个这样的场景。当一颗像太阳这样的恒星进入红巨星阶段后,在最终变成白矮星之前,它会经历一段极其混乱的时期。在这段可能持续几十万年的时间里,这颗恒星会反复喷吐出等离子体团块,而每一次喷吐,都会让恒星自身受到一个反向的微小“踢动”。富勒估算,这样的小踢打总共会发生大约一万次。

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这实际上就是牛顿第三定律在宇宙尺度上的演示。就像富勒自己解释的那样:“牛顿说过,每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。在这个模型里,物质团块以不对称的方式从膨胀的恒星表面被混乱地喷射出去,每一次,恒星都会在相反方向上被轻轻踹一脚。”

要理解这件事,我们得先拆解一下什么叫“红巨星”。一颗恒星之所以能稳定发光,是因为其核心在进行核聚变,氢不断转化为氦并释放能量。但当核心的氢耗尽后,核心会开始塌缩,温度随之升高。这股额外的高温会点燃核心外围壳层中的氢,使得恒星外层大气被加热并剧烈膨胀。它的半径会膨胀到原来的一百倍——以太阳为例,这大致意味着它的表面会一路扩张到火星轨道附近,水星、金星和地球将被直接吞没。最终,这些外层物质会全部散逸到太空中,只留下一个致密的内核,也就是白矮星。这一切预计将在大约五十亿年后发生。

过去,科学界普遍认为,像太阳这类中等质量恒星走向死亡的过程,相比那些以大爆炸(超新星)收场的巨星,是相对平静的。没有猛烈的爆炸,似乎也就没有太多戏剧性。但现在,富勒的模型挑战了这个直觉。

我们以前以为,红巨星就是稳稳地待在那里,慢慢剥落自己的外层。但新的研究提示,实情可能是另一回事:恒星会从表面随机方向抛出等离子体团块,而每一次非对称的抛射,都必然给恒星一个反方向的动量。单独看,每一脚都很轻微;但在一万次这样毫无规律的“乱踢”累积下,整颗恒星就会像个醉汉一样,在空间中随机漫步。

这里有个很妙的比喻,可以用来理解这个被称为“随机游走”的数学现象。你可以想象自己站在一个点上,通过抛硬币来决定下一步往北走还是往南走。每一次抛硬币,方向都是完全随机的。但神奇的是,在抛了很多次之后,你几乎不可能还待在原处,而是会偏离起点一段距离。红巨星的运动方式也是如此。每一次喷吐的方向是随机的,但整体上,这颗恒星会在一个随机方向上累积出一个净位移,速度可以达到大约每小时三千五百四十公里。

这个速度对一颗恒星来说算什么水平?说人话就是,如果你觉得这个速度听起来很快,那是因为我们日常的参照系太小。实际上,这跟那些真正爆发为超新星的大质量恒星所受到的“终极一脚”相比,根本不是一个量级,温和得多。但关键在于,它并不是零。

这件事之所以重要,是因为它可能解释天文学家观察到的另一个谜团。此前,加州理工学院的另一位研究员卡里姆·埃尔-巴德里(Kareem El-Badry)发现,在那些由两颗恒星组成的“双星系统”里,如果其中一颗已经变成了白矮星,那么这两颗星之间距离很远的“宽轨道双星”就比预想的要少见得多。一种可能的解释是:正是红巨星阶段里反复发生的这种“踢动”,最终把原本就松松垮垮、引力束缚较弱的恒星对给拆散了。

富勒的模型给出了一个判断标准:如果这对双星的轨道速度低于红巨星被踢开的速度,那么这对双星就会在引力上解绑,各奔东西。这就像两个人原本手拉手慢跑,突然其中一个人被一股外力猛拽了一把,如果这股力超过了两人的握力,手就会松开。

不过,这里有一个需要特别注意的边界。富勒的模型还预言了一种天文学家尚未观测到的极端情况:在某些情形下,红巨星受到的持续踢动,可能会把它像弹球一样弹向其伴星。但这一推想,目前还停留在理论推导阶段,还没有被观测数据证实。

现在我们可以来梳理一下这场辩局的正反方了。一方是长期以来建立在望远镜观测基础上的传统图景:太阳的死是安静的膨胀与剥离,没有大爆炸,因而也没有剧烈的位移。另一方则是富勒提出的、基于牛顿力学的物理模型:只要存在不对称的物质抛射,就必然有反冲;混乱的一万次小动作,足以在漫长的时间尺度里累积出不可忽略的轨迹偏移。

这个辩论的有趣之处在于,两边都不完全错。从我们人类的时间尺度来看,红巨星阶段的任何变化都极其缓慢,即便它在空间中移动,我们也根本感觉不到。但从双星系统的命运来看,这种微小的扰动可能是决定两颗星星是厮守还是分手的那个临界变量。我们以前缺乏的,只不过是一个将这些小扰动从理论层面量化出来的动力学模型。

你可能会好奇,那我们现在看到的太阳,有没有在干类似的事情?有,但规模完全不一样。太阳目前是一颗稳定的主序星,它也通过太阳风向外抛射粒子,但这些抛射相对均匀,不会产生那种不对称的“踢动”。真正的混乱,要等到核心的氢耗尽之后才开始。那是一个恒星生命阶段的根本性切换,不是简单的老化,而是一场结构性的崩溃与重塑。

这件事本身没那么神奇,真正神奇的是,一个写在中学课本里的定律,竟然可以用来预测五十亿年后的一场星际尺度上的随机漫步。而且,即便是那些看似已经研究得很透彻的寻常事件——比如一颗普通恒星的死亡——里面依然藏着尚未被观测到的推论。富勒自己也说得很明白,那个“弹球撞击伴星”的场景,目前还只是模型推测,望远镜还没捕捉到过。科学界目前能给出的,是一个基于物理的、逻辑自洽的故事框架,至于那些最极端的剧本是否会上演,还有待后续观测来验证。

说到底,我们的太阳在弥留之际,并不会像一盏烛火那样悄然熄灭。它会先膨胀成一个红色的巨型火球,吞噬掉它曾孕育过的几颗岩石行星,然后在几十万年的混乱喷吐与自我反踹中,把剩余的躯壳一层层甩入星际空间,最终只留下一个炽热而致密的内核,作为一个白矮星,在那里冷却几十亿年。整个过程中,或许还会有一些原本与它结伴而行的恒星,因为这些毫无规律的踢打动作,从此松开彼此引力的手,各自走向深空的另一端。