恆星會死亡,那麼星系最終的結局是怎樣的?

量子科學論 發佈 2020-04-14T01:47:59+00:00

「除非一個人對他所愛的東西說再見,否則,他只能期望自己慢慢地消失,最終走向滅亡。」但是後來,人們在對夜空的觀察中發現,一些本身暗淡不可見的恆星,會突然變亮,然後在接下來的幾周甚至是一個月內光度變淡直到消失,這是人們才知道原來恆星是有生命周期的,也會生老病死。

「除非一個人對他所愛的東西說再見,否則,他只能期望自己慢慢地消失,最終走向滅亡。」——瓊杜布菲

古希臘的哲學家認為,在地球之外是月亮天、水星天、金星天...,以此類推一直到最高的恆星天,他們認為恆星是固定在天空中不動的點,是上帝給了恆星天第一推動力,讓恆星天以下的天體開始圍繞地球運轉,並且他們還認為恆星是真正永恆的存在。這就是早期人類心中的宇宙模型。

但是後來,人們在對夜空的觀察中發現,一些本身暗淡不可見的恆星,會突然變亮,然後在接下來的幾周甚至是一個月內光度變淡直到消失,這是人們才知道原來恆星是有生命周期的,也會生老病死。

那麼今天的問題是:既然恆星會死亡,那麼由恆星組成的星系會在漫長的歲月中消亡嗎?它最後會變成什麼樣子?

回答這個問題,先來看下我們的本星期群

我們平時說本星系群時,只會提到銀河系和仙女座星系這兩個龐然大物,一般會忽略周圍的一些矮星系,現在我們就來看下這些無名小卒:

三角星系。它的質量大約是銀河系的5%,是本星系群中次於銀河系的第三大星系,這個星系有一個螺旋結構,它很可能是仙女座星系的衛星星系。

大麥哲倫星雲。這個星系的質量在我們銀河系面前相形見絀,質量只有銀河系的1%,但是它已經是本星系群中的第四大星系了。由於它離銀河系目前非常近,只有不到20萬光年,所以銀河系的巨大引力已經對這個星系產生了非常大的影響。

在銀河系潮汐引力的作用下,大麥哲倫星系內的氣體已經開始崩潰、混亂,並且開始產生宇宙中最新、最熱、最大的恆星,這個過程就是一個星系恆星爆發的時期,我們稱為星爆星系。

這就解釋了為什麼目前我們最宇宙中發展的質量最大的恆星就處在大麥哲倫星系中的狼蛛星雲中。

上圖中以此是小麥哲倫星雲,NGC 3190和NGC 6822。目前我們並不是很確定具體哪個星系更大一些,但它們的質量都在銀河系質量的0.1%到0.6%之間,雖說這三個星系很小,但每一個都包含了超過10億倍太陽質量的物質,所以在本星系群中也是十分重要的物質源。

上圖在M31(仙女座星系)周圍的是橢圓星系M32和M110。它們只是仙女座星系的衛星星系,質量非常小,但也包含了超過10億顆恆星,而且這個星系的質量也有可能比上文所說的三個星系還要大一些。

除了以上這些星系外,在本星系群中還有至少45個已知、更小的星系,它們和以上的星系共同組成了我們的本星系群。

無論本星系群目前有多少個星系、它們的質量和大小是怎樣的,在未來幾十億年後,這些所有的星系都會經歷一件非常重要的事件,它們並不會像今天這樣一直存在。

本星系群里的所有星系都是被引力束縛在一起的整體結構,無論宇宙怎麼膨脹,都不想讓這些星系互相遠離,相反這些星系目前正在引力的作用下互相靠近,除了引力的拉扯外,如果兩個星系相互靠近時,也會產生非常大的潮汐力。

說到潮汐力,我們通常會想到月球對地球的潮汐引力導致了海洋在一個方向上凸起,當地球旋轉到凸起位置時就會產生「高潮」,當地球旋轉經過低谷時就會產生「低潮」。

但從星系的尺度來看,潮汐力的影響更為劇烈。當一個小星系的一側靠近大星系的時候,那麼這一側會比另外一側受到的引力更大。導致的結果就是小星系被拉伸變形,最終被大星系撕裂。

這些小星系:麥哲倫星雲和所有的矮星系,它們最後的結局都是以被撕裂,然後被大星系吞併的方式終結。

但是這不是真正的死亡,因為大星系還會存在一段時間。但是我們的銀河系和仙女座星系也不會一直保持現在的模樣,因為現在這兩個星系已經在引力的作用下在宇宙空間中互相起舞,在未來大約40億年以後,它們會發生大合併。這個合併的過程會一直持續數十億年,但是最終兩個星系目前的螺旋結構都會被破壞,最終形成一個巨大的橢圓星系。

這個本星系群中之前不管存在多少的星系,都會被引力拉扯到一起形成一個單一的星系,這個星系就是有本星系群中目前所有的物質組成。不僅是我們的本星系群,在宇宙中,目前所有被引力束縛在一起的星系群和星系團最終的命運都跟我們一樣,但那些沒有被引力束縛在一起的結構,會在暗能量的作用下互相遠離彼此。也就是說,未來宇宙中的星系會原來越大,越來越少。

但這也不是宇宙中星系的真正死亡,因為還是有星系的存在。但是星系是由恆星、氣體和塵埃組成的,而且這些物質的數量是有限的。

在宇宙中,星系的合併可能需要幾百億年的時間才能完成,這時暗能量也會將這些合併後的星系膨脹到非常遠的距離、並加速到非常大的速度,導致所有的星系都互相不可見、也不可達到。屆時,我們在地球上中只能看到自己星系的恆星,而且我們在宇宙中也只能看到一個星系,就是我們自己所在的星系。

雖然其他星系不可見,但是恆星卻在很長的一段時間內會一直存在。因為今天宇宙中那些壽命最長的紅矮星它們燃燒完自己的燃料至少需要10萬年的時間,而且每個星系中,還會誕生新的恆星,只不過隨著氣體雲數量的減少,形成恆星的速率也會越來越低,直到無法形成恆星。

就算宇宙中最後一顆恆星將自己的燃料燃燒完,宇宙中還會存在恆星的殘骸(白矮星和中子星),它們會持續發光幾百萬億年才會消失。當這些恆星屍體消失後,在宇宙中還有一些失敗的恆星:褐矮星,它們偶爾會合併在一起,重新點燃核聚變,並會持續發光數萬億年。

然而,當最後一顆恆星在未來約10^16年後燃盡時,銀河系的質量仍將存在。在某種意義上來說,這不是「真正的死亡」。

但是星系本身不會永遠的存在!我們知道在星系中所有的質量物體都會在引力的作用下相互作用,但是不同質量的物質相互作用時會發生以下的事情:

  • 兩個質量物質在近距離接觸時,會發生速度和動量的交換。
  • 在這個過程中,低質量的物體會獲得額外的速度,被「踢」出星系,而高質量的物體會失去速度,下沉到星系的中心。
  • 經過足夠長的時間尺度(大約10^19到10^20年),銀河系的大部分質量將會被拋出,只有一小部分剩餘的質量會被更緊密地束縛在一起。

在星系的中心基本上都會存在一個超大質量黑洞,而這個黑洞會因為吸入太多的物質,而變得質量非常大,可能會創造出一個宇宙中自誕生以來絕無僅有的超級大黑洞。

然而,即使是黑洞也不會永遠的存在。

由於霍金輻射現象,黑洞會發生衰變緩慢的損失質量。也許需要10^80到10^100年,時間取決於超大質量黑洞的質量有多大。

因此無論我們如何定義一個星系或它的殘餘物,它們都會死亡。

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