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宇宙中的恆星正走向枯竭嗎

一個人的身影,頭戴手電筒,仰望著浩瀚的夜空,佈滿了無數的星星,中間是銀河。

Anadolu via Getty Images

沒有什麼能夠永恆存在……我們的宇宙也不例外。過去20年來,天文學家一直在探測一些跡象,顯示宇宙可能已過巔峰期。其中一個作為依據的信號是,越來越少新的恆星誕生。

這並不是說宇宙中的恆星走向枯竭了。據估計,它可能包含多達一秭(septillion)——即1後跟24 個零。

但天文學家認為,新恆星的產生正在減緩。

恆星的誕生……與死亡

目前科學界的共識是,宇宙大約有138億年的歷史。第一批恆星在大爆炸發生後不久形成。

事實上,去年詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)在我們的銀河系中,發現了被認為已超過130億年的三顆恆星。

恆星本質上是由炙熱氣體組成的巨大球體,它們的生命起點都相同。

它們誕生於被稱為「星雲」的巨大太空塵埃和氣體雲中。重力將氣體團塊拉在一起,最終加熱並形成一顆嬰兒恆星,或稱「原恆星」。

橙色和藍色的漩渦雲在明亮的中心上方和下方呈扇形展開,遠處星星的黑暗背景清晰可見。

Nasa/Esa/CSA/STScI; Processing: J DePasquale/A Pagan/A Koekemoer (STScI)
原恆星被物質雲包圍,以促進其生長。

當恆星核心加熱至數百萬度時,內部的氫原子被擠壓在一起,通過稱為「核聚變」的過程形成氦。這一過程釋放光和熱,恆星進入穩定的「主序星」階段。

天文學家估計,包括我們的太陽在內的主序星約占宇宙中所有恆星的90%。它們的大小從太陽質量的十分之一到200倍不等。

最終,這些恆星會耗盡燃料,並在走向死亡的過程中走上不同的道路。

像太陽這樣的低質量恆星會在數十億年間逐漸消逝。

而質量至少是太陽八倍的「姊姊」們,結局則更加戲劇化:它們會在一場稱為「超新星」的巨大爆炸中毀滅。

BBC製圖解釋恆星的生命週期

BBC

舊恆星主導

2013年,一個國際天文學家團隊在研究恆星形成的趨勢時稱,未來將存在的所有恆星中,有95%已經誕生。

「我們顯然生活在一個由舊恆星主導的宇宙中。」該研究的首席作者大衛·索布拉爾(David Sobral)當時在昴星團望遠鏡(Subaru Telescope)網站的一篇文章中表示。

在宇宙的時間軸上,恆星形成的高峰似乎發生在大約100億年前,這段時期被稱為「宇宙正午」。

「星系將氣體轉化為恆星,但它們的轉化速率正在下降。」加拿大英屬哥倫比亞大學宇宙學家道格拉斯·斯科特(Douglas Scott)教授說。

斯科特教授是目前正在接受同行評審的一項預印本研究的共同作者,該研究分析了歐洲太空總署的歐幾里得(Euclid)和赫歇爾(Herschel)望遠鏡的數據。

他和一個國際研究團隊能夠同時研究超過260萬個星系,這得益於歐幾里得計劃創建的龐大宇宙3D地圖。

在遙遠恆星的背景下可以看到旋轉的橙色雲,三個明亮的恆星形成中心在一條垂直線上閃閃發光。

Esa/Euclid/Euclid Consortium/Nasa; Processing: JC Cuillandre (CEA Paris-Saclay)/G Anselmi
歐幾里得太空任務捕捉到了附近宇宙中正在誕生新恆星的細節。

天文學家特別關注星塵所釋放的熱量。恆星形成速率較高的星系往往擁有更大、更熱的恆星,因此塵埃溫度也更高。

根據斯科特教授的說法,研究團隊發現,星系的溫度在數十億年間逐漸下降。

「我們早已過了恆星形成的高峰期,未來每一代恆星形成的數量將越來越少。」他說。

大降溫?

確實,舊恆星的死亡可以利用相同的物質形成新恆星,但事情並沒有那麼簡單。

假設我們有一堆建材,用它們建造一棟房子。如果我們想再蓋一棟,當然可以嘗試回收舊房子,但並非所有材料都能再次使用。

「這意味著我們只能建造一棟更小的房子。每次拆除後,可用的材料會越來越少,直到我完全無法再建房子。」斯科特教授解釋說。

這與恆星的情況非常相似。

「每一代恆星可燃燒的燃料都更少,最終將沒有足夠的燃料來形成新的恆星。」這位宇宙學家說。

「我們已經知道,在宇宙中,低質量恆星比高質量恆星普遍得多。」

太陽被視為一個發光的球體,有明亮和黑暗的漩渦;正面的大閃光代表強大的太陽耀斑。

Nasa/SDO
天文學家估計我們的太陽在最終消失之前還有50億年的時間。

科學家長期以來一直推測,宇宙終有一天會走向終結,只是不確定何時以及如何結束。

目前最被廣泛接受的理論之一是「熱寂」(heat death,又稱熱死亡)。

這一理論也被稱為「大凍結」,預測隨著宇宙持續膨脹,能量會逐漸分散,直到最終冷卻到無法維持生命。恆星彼此距離越來越遠,燃料耗盡,且不再形成新的恆星。

「宇宙中可用的能量是有限的。」斯科特教授解釋說。

大量的「零」

但在你憂鬱地仰望星空之前,恆星的消亡將需要一個天文數字般漫長的時間。

可以看到灰色和棕色的氣體和塵埃細絲從星系中心的亮藍色星團向外螺旋狀向外延伸。

Esa/Webb/Nasa/CSA/J Lee/PHANGS-JWST Team
許多星系中的恆星形成仍將持續很長一段時間。

斯科特教授估計,在未來的10兆至100兆年內,新的恆星仍會不斷出現——遠在我們的太陽可能消亡之後。

至於「大凍結」,時間可能更長:今年早些時候,荷蘭拉德堡大學的天文學家估算,宇宙的最終終結將在大約「quinvigintillion」年後到來——也就是1後面跟著78個零。

所以,還有充足的時間,在下一個晴朗夜晚好好欣賞星空。

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