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5 年之后,我们将见证两颗恒星碰撞

on Jan 24, 2017

















中国科普博览,我们科学家有话说

文章来自 机构帐号中国科普博览




如果说两个陌生人在茫茫人海之中相遇并相爱的概率微乎其微,那么浩瀚宇宙中的两颗恒星,有多大的可能性相遇然后合并呢?


在刚刚结束不久的美国天文学会上,来自美国加尔文学院(Calvin College)的天文学教授拉里·莫尔纳(Larry Molnar)发布了一条令人兴奋的消息:在 2022 年 3 月左右,银河系内两个彼此靠近的低质量恒星即将合并。


这一消息一经公布便引起了公众的强烈兴趣,毕竟,并没有多少人类有机会在他们的有生之年见证两个恒星的合并。


这两颗恒星在哪里?距离我们有多远?是什么力量制造了这场惊天碰撞?这两个庞然大物的合并过程将持续多少年?恐龙不过是见证了一颗彗星与一颗行星的相遇而已,便几乎全军覆没,那么五年之后,当这两颗恒星最终碰撞,我们将会目睹怎样的奇景?这场碰撞又会对我们的母星地球有何影响呢?


让我们来细细探究一番,为这场宇宙级别的“相遇”提前做上一点儿功课。



图 1:红点代表了合并的双星系统位置


1800光年之外:酝酿漫长,合并迅速


你大概已经知道,在我们的银河系内,有一个天鹅座,这两颗将要合并的恒星正处于天鹅座内。它们构成了一个被称为 KIC 9832227 的恒星双星系统,距离我们大约1800 光年


早在 2015 年 1 月,莫尔纳教授等人就在美国天文学会上发布过相关内容,将 KIC 9832227 认定为一个很有可能正在合并的双星系统。


他们分析了这一系统 1999 年 -2014 年间的数据,发现其周期在持续递减,递减趋势和天蝎座 V1309 爆发前的周期变化规律非常相似,而天蝎座 V1309 内也曾发生过恒星合并事件。在 2015-2016 年间,莫尔纳教授等人利用进一步的观测数据,对他们之前的推断进行了验证,最终确认该系统终有一天将会合并。


不过,银河系中的恒星多达 2000 亿到 4000 亿颗,有接近 1/3 的恒星位于双星或者多星系统之内。双星系统内的两颗恒星合并貌似并非罕见之事。


事实果真如此吗?这就需要我们先了解一下双星系统的分类了。


我们很容易理解“双星系统”,即一个系统由两个天体构成;这两个天体可以是普通恒星,也可以是密度很大的致密天体,比如中子星或黑洞。


在天文学上,我们可以依照很多标准对双星系统进行分类,其中之一便是按照两个天体之间的距离进行分类。对于“远距双星(wide binary)”而言,两个天体之间相距较远,几乎没有什么相互影响。两个天体距离较近的被称为“密近双星(close binary)”,天体之间有可能互相影响或传输物质。在银河系为数众多的双星系统中,密近双星只有约 4 万对,可以说是非常稀少的。


有一部分密近双星过于“亲密”,甚至产生了接触,我们于是称其为“过接双星(contact binary)”。在一种极端情况下,过接双星是如此之“亲近”,以致于两个天体共享了同一个外部的气体包层。通常而言,它们需要几百万年或几十亿年的时间,才能达到共享包层的阶段,而一旦进入共享包层阶段,这两颗恒星将很快地合并,耗时仅仅数月或数年。相较于共享包层前的漫长岁月,合并的过程如同白驹过隙,这就如同一对恋人经过了马拉松式的恋爱,在求婚之后便火速完婚了一样。


我们前文所说的双星系统 KIC 9832227 已处于最终的共享包层阶段了,按照目前已有的理论估计,这两颗恒星只需大约 5 年时间就会合并完成。



图 2:(左):合并前的想象图;(右):合并前的数值模拟图


双星合并将为我们带来一颗明亮的新星


根据目前的光谱数据分析,即将合并的两颗恒星的质量都不超过 0.4 个太阳质量,属于我们所了解的最小质量的恒星类别。它们看起来呈红色,表面温度约为两三千摄氏度。从目前的观测情况来看,两颗恒星还未合并,它们的视亮度约为 12 星等,已经完全超出了人类肉眼所能够看到的最低极限值(6 星等),所以我们只能够借助望远镜进行观测。(星等是用来衡量天体亮度的单位,星星亮度越高,星等数值就越低;我们在夜晚看到的最明亮的天狼星,大约为 -1 星等。)


这两颗恒星合并的整个过程将持续几个星期,相较于它们 100 亿年的寿命而言,这几周时间仿若一瞬。在这“一瞬间”内,它们的亮度将迅速增加 10 万倍,视亮度可达到 2 星等左右。看起来将和北极星的亮度差不多,比我们熟知的天狼星(-1 星等)和织女星(0 星等)稍微暗一些。


这一场双星合并的结局,就是我们的夜空中暂时多了一颗新的亮星,它的颜色依旧偏红,我们于是称之为“红新星”。这颗新星将存在至少 100 亿年,那我们为什么还要说“暂时”多了一颗新的亮星呢?因为它只会明亮数星期时间,之后就将黯淡下去,藏身于茫茫宇宙我们肉眼所不能及的黑暗之中。


2015 年两个黑洞合并所产生的引力波吸引了全世界的目光,那么,五年后这两颗恒星合并是否也会产生引力波呢


答案是肯定的。双星合并将也会释放一定能量的引力波,但微乎其微,几乎可以忽略不计。几乎所有能量都集中于电磁波段,我们只能依赖于传统的望远镜进行观测,美国的引力波天文台(LIGO)应该是没办法探测到这次合并事件的。


双星合并为我们带来了一颗明亮的新星,是否也会同时带来些许危险呢?


如果要预估这一事件对于地球生命的影响,我们就需要知道合并过程释放的能量到底有多少,以及对于地球大气等是否会产生什么影响。


两个天体合并会产生爆发现象,同时释放大量能量,这一点毋庸置疑,但是释放出来能量的多少,取决于合并天体的致密程度。比如,两个中子星合并会产生所谓的伽马射线暴,将在约 1-2 秒内释放出千倍于超新星能量的巨大能量,并产生极强的伽马射线——天文学家们已经讨论过这类爆发对于地球的影响——如果这类天体在银河系内或银河系之外距离不太远的地方指向我们爆发,地球上的生命定将遭受灭顶之灾。


然而,我们不必担心这两颗小小的恒星合并对地球生命带来任何影响。相较于其它致密天体合并,这两颗恒星合并所释放出来的能量微乎其微,甚至比一些正常恒星所产生的能量还小,何况它们所产生的能量主要是在光学波段。我们还是安心观赏那颗美丽的红新星好了。


站在天蝎座 V1309 的肩膀上等待新星



图 3:可能的“红新星”麒麟座 V838 在爆发后演化图景,由哈勃望远镜观测


从理论角度而言,天文学家始终相信,低质量的双星合并是诞生稍大质量恒星的摇篮之一。但是,真正的观测却只是在最近几十年当中取得了一些进展,这要归功于一些大型天文巡天项目的开展和计算机处理能力的提高。在过去数十年中,天文学家多次观测到了类似的爆发现象,比如爆发于 1988 年位于大麦哲伦星系中的 M31 RV,爆发于 1994 年位于银河系之内的人马座 V4332,以及爆发于 2002 年麒麟座的 V838 系统——这些爆发很可能代表着合并事件,但我们并不能完全确定。


直到 2006 年,人类才真正确认了一次双星合并事件。利克天文台(Lick Observatory)超新星搜寻项目在距地球 6000 万光年的 M85 星系中发现了 M85 OT2006-1 的爆发,加州大学伯克利分校和加州理工的天文学家随后进行了详尽分析,发现这次爆发来源于两个低质量双星的合并,不同于之前其它所知道的新星爆发。但因此次爆发前的监测信息不足,所以,我们对于合并之前的双星系统十分缺乏了解。在这一年,天文学家们根据观测所得,为双星合并所形成的新星赋予了一个名字:“亮红新星”(luminous red novae


真正帮助天文学家解开“红新星”之谜的钥匙,藏在天蝎座 V1309 之中。这个系统最早是被中国和日本的天文爱好者发现的,他们随后将相关信息提交给了国际天文联合会的天体变源监测组织。然而,天蝎座 V1309 的详尽数据来自一个名为 Optical Gravitational Lensing Experiment(简写为 OGLE;光学引力透镜实验)的巡天项目。该项目由波兰华沙大学的天文学家于 2001 年正式启动,初衷是对大面积天区进行监测,希望寻找亮度发生变化的天体源,发现引力透镜现象,从而检验一些最初被认为可能构成暗物质的天体,比如黑洞。天蝎座 V1309 所在的位置刚好处于 OGLE 的监测天区之内,所以天文学家得到了其在爆发前直至爆发后的、长时间范围的大量观测数据。之后的数据分析不仅仅确认了这是一个“红新星”系统(双星合并后的系统),还为我们提供了更为重要的信息,即这个双星系统在合并之前是如何随时间演化的。


正是在天蝎座 V1309 系统合并前的观测数据以及建模基础之上,莫尔纳教授等人对 KIC 9832227 的系统演化做出了判断,预测这两颗恒星“亲密接触”并最终合并,将发生在 2021 年 9 月 -2022 年 9 月间。


还等什么,让我们为即将亮起的红新星竖起一只倒计时牌吧!


出品:科普中国


制作:黑洞来客团队 苟利军 @Flyingspace 黄月


监制:中国科学院计算机网络信息中心




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本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。




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user_name1 day ago
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