我们的太阳系诞生于45亿年前的一团原始星云,从太阳光谱中的吸收线来看,太阳是一个富含金属的恒星,和地球上所存在的元素类型基本相同,不同的是元素的比例,在太阳中氢和氦的比例分别占到了71%和27%,剩下的小部分就是元素周期表中的其他元素,所以说我们的太阳并不是宇宙中的第一代恒星,很有可能是第二代或者是第三代恒星。
换句话说,我们的太阳系要想拥有这么丰富的重元素,就必须诞生在被上一代恒星死亡“污染”后的星云中!你可能会想,组成太阳的大部分都是氢和氦,为何会说太阳是一颗富含金属的恒星呢?
是这样的,在宇宙学中,天文学家会把所有比氢和氦重的元素统称为金属,而在宇宙早期的大爆炸核合成期间,宇宙只形成了氢和氦两种元素,所以宇宙中的第一批恒星是不会富含任何金属的,因此我们认为太阳的前身是一颗更大、不含任何金属的蓝色巨星。
那么问题就如题所说,既然太阳系诞生于上一代恒星死亡后所形成的气体云,而且大质量恒星在死亡后核心一般都会留下中子星或者黑洞,那么为什么我们没有在目前太阳系所处的位置附近发现原恒星留下的残骸呢?
宇宙中常见的Ⅱ型超新星和Ⅰa型超新星
超新星的爆发代表着一颗恒星生命的终结,当恒星在生命末期耗尽核心燃料时,核心核聚变就会停止,这样就会导致核心在引力的作用下发生剧烈的塌缩,短时间内释放出巨大的引力势能。能量的集中短时间释放,就会将恒星除过核心以外的外壳炸毁,形成壮观的Ⅱ型超新星爆发。
一颗质量是太阳质量8倍-10倍以上的恒星,在死亡以后,其核心就会坍缩称为一颗中子星或者黑洞,这取决于恒星核心在死亡时的质量,当质量在3倍太阳质量的时候,中子简并压就难以抵抗引力的压缩,一路坍缩形成黑洞。当核心质量小于3倍太阳质量的之后,就会形成一颗中子星,目前我们认为中子星的质量上限为2.16倍的太阳质量,我们在宇宙中观察到的中子星质量大部分在1.4倍太阳质量。
除了Ⅱ型超新星,在宇宙中还会爆发Ⅰa型超新星,这种超新星的爆发是由低质量恒星死亡后留下的白矮星形成的。
白矮星要想变成超新星必须处在一个双星系统中,它要么是因为吸积了伴星大量的物质,导致质量急剧增加,当达到太阳质量1.44倍的时候,就会引发核心的碳爆轰,也就是重新发生核聚变,由于核聚变进行得十分剧烈,大量的能量剧烈释放会导致白矮星被炸毁,形成Ⅰa型超新星。
要么就是两颗白矮星的轨道发生衰变,最终碰撞在一起发生合并,导致两颗白矮星被同时摧毁,发生Ⅰa型超新星爆发。
如果太阳系的形成来自于以上类型的超新星爆发,那么就有可能在太阳系的附近存在恒星残骸,而且这些恒星残骸也会有可观测的效应。但是在宇宙中还存在另外一种类型的超新星,这种超新星爆发后不会留下任何东西。
不稳定对超新星
不稳定对超新星这种类型的爆发通常会发生于金属含量低、且质量非常大的恒星中,而宇宙的第一批恒星就满足这样的条件。
在恒星的一生中核聚变产生的辐射压力会对抗恒星的质量所带来的引力收缩,这两个力基本处在一个平衡的状态,互相拉扯,导致恒星有一个相对稳定的核聚变速度,不至于让恒星因为聚变过于猛烈发生爆发,也不至于因为引力而发生收缩。
但是在低金属含量的大质量恒星中,质量一般介于130至250太阳质量之间,这样的恒星核心会释放出巨大的能量,导致两个光子相互碰撞转变为电子和正电子对,然后正负电子对又会在短时间内湮灭释放出伽马射线,由于光子的释放增加了一个额外的过程,这样就会导致核心的辐射压力降低,那么整个恒星就会在引力的作用下缓慢的收缩升温,这样又加剧了核心的反应速率,当核心达到一定的温度,剧烈的反应就会导致壮观的超新星爆发,不过这种超新星的出现并不是因为核心耗尽了燃料,而是因为反应太过剧烈,所以核心连同恒星的外壳也会一并被炸毁,这就是不稳定对超新星。
这样的恒星死亡后什么也不会留下,只会产生形成下一代恒星的、富含金属的气体云。
如果我们的太阳系是由这样的恒星死亡后形成的,就不存在遗留下的恒星残骸,不过我们无法确定太阳到底是由哪种超新星爆发形成的。但是在太阳系附近找不到恒星残骸也属于正常现象。下面就是最后一个原因。
太阳逃离了原星团
如果我们假设太阳系诞生时的重元素来自于Ⅱ型超新星,那么在太阳诞生之初的附近肯定存在中子星或者黑洞,那么它们现在去哪里了?
这里需要澄清的一个概念时,恒星的形成一般都发生在尺度非常大的气体云中,而不是一团气体云只形成一颗恒星!相反,恒星一般会成群的形成与活跃的气体云团中,组成球状星团,星团有大有小,一般包含十几颗到几十万颗恒星,我们的太阳也曾经诞生在一个恒星的集合中。
但是星团是一个不稳定的结构,会在漫长的岁月中在引力的作用下收缩,其中的恒星会因为引力的摄动被弹射出去,发生逃逸。
也就是说,星团是恒星诞生的地方,但不是恒星长久生存的地方,一个典型的星团包含的恒星数量会越来越少,所以我们将星团称为恒星的托儿所!随着时间的推移,恒星本身就会离开曾经出生的地方。
目前的太阳已经存在了45亿年,已经步入中年,我们已经无法找到它曾经诞生的地方!