已知恒星中最长的寿命是多久？

发布时间：2023-08-04 15:32:04 所属栏目：外闻来源：互联网

导读： 　　对于那些活了不到宇宙全生命时间的100万分之一的生物而言，恒星这般长久的存在几乎可以说得上是一种永恒。尽管仅在我们的银河系内就有数千亿颗恒星，但大多数人类从未亲眼目睹过一颗恒

　　对于那些活了不到宇宙全生命时间的100万分之一的生物而言，恒星这般长久的存在几乎可以说得上是一种永恒。尽管仅在我们的银河系内就有数千亿颗恒星，但大多数人类从未亲眼目睹过一颗恒星死亡。在我们的太阳系中，我们的母恒星太阳已经有近 46 亿岁了，但太阳还需要 5 到 70 亿年才能进入最后的进化阶段：届时它将成为红巨星，排出其外层，并收缩成为白矮星。

　　但恒星的质量、颜色和寿命各不相同。尽管自热大爆炸开始以来，我们的宇宙已经过去了令人印象深刻的 138 亿年，在这段时间内我们可观测到的部分形成了超过600 亿（约 1021 颗）恒星。尽管其中许多恒星已经生存和死亡，但大多数已形成的恒星仍然活着，而且大多数活着的恒星的寿命将比太阳长得多。

　　这足以让人产生疑问：一颗恒星的寿命最长是多少，我们的宇宙还能继续拥有恒星多久？截至2023 年，科学有待回答这些问题。

　　在像太阳这样的恒星内部，有两种极其强大的力量在整个内部相互平衡：

　　引力将恒星内部的每个粒子不可抗拒地拉向中心，

　　以及由于恒星核心发生的核聚变反应而产生的辐射向外压力。

　　如果这些力总体上不平衡，恒星就会相应地膨胀或收缩，直到达到平衡状态。

　　这有助于我们理解为什么在质谱的高端，恒星的质量越大，它往往就越大。恒星在其核心发生核聚变：温度超过400 万 K，这是恒星中引发氢聚变的（近似）温度阈值。然而，更高的温度会导致更高的聚变速率。在太阳中，中心温度高达 1500 万开氏度，随着聚变率的提高，温度也随之升高，从而导致恒星的尺寸变得更大。如果我们观察恒星质量、恒星温度和恒星大小之间的关系，我们可以看到，当我们增加恒星质量时，温度和大小也会随之急剧上升。

　　恒星的质量与其颜色/温度和大小之间的这些关系比大多数人想象的更严重。我们经常说，“燃烧两倍亮度的火焰，寿命只有一半”，这确实是事实：对于从同等燃料储存中获取能量的火焰来说。然而，对于恒星来说，情况比普通火焰要严重得多。如果我们将三颗星星相互比较：

　　一个是太阳的质量，

　　质量是太阳质量的两倍，

　　质量是太阳质量的十倍，

　　我们会发现它们之间有一些截然不同的属性。

　　类太阳恒星的总寿命估计约为120 亿年，大小为1 个太阳半径，平均日亮度为1 个太阳光波长的光度，月亮的平均日夜表面温度约为 6000 K，天体的颜色为纯正无杂质的白色。

　　一颗质量是太阳两倍的恒星的寿命估计约为 15 亿年，大小约为 1.7 个太阳半径，亮度约为 25 个太阳光度，平均表面温度约为 10,000 K，颜色为蓝白色的它。

　　一颗质量是太阳 10 倍的恒星，其总寿命只有约 20-4000 万年，大小约为太阳半径的9 倍，亮度约为 25,000 太阳光度，表面温度为 23,000 K ，并呈现蓝色。

　　根据一般经验法则，恒星的寿命与其质量的立方成反比：质量是太阳两倍的恒星的寿命只有太阳的八分之一，但质量只有太阳一半的恒星应该寿命八年乘以太阳的持续时间。（“立方”是一个近似值，因为该关系在高质量端逐渐减小到质量的2.5 次方，并在低质量端逐渐增大到质量的 4 次方。）换句话说，越少恒星的质量越大，它的寿命就越长，而质量最大的恒星，尽管有更多的燃料，但燃烧速度会更快，并且寿命最短。

　　据估计，形成的质量最高的恒星，其质量是太阳质量的数百倍（甚至可能更多），在死于超新星或超新星爆炸等灾难性灾难之前，只能持续 1-200 万年。然而，当我们的质量越来越低时，我们发现恒星：

　　燃料的燃烧速度更慢，

　　活得更久，

　　减少暴力死亡，

　　并且有更多的时间将物质从恒星深处运输到外层，反之亦然。

　　因此，如果我们想了解所有恒星中最长寿的恒星，我们就必须将注意力转向所有恒星中质量最小的恒星：红矮星，它们的命运都与我们的太阳不同。

　　太阳是我们研究得最透彻的恒星，事实证明，所有恒星中有 20-25% 与它相似。如果一颗恒星的重量介于太阳质量的40% 到太阳质量的八倍之间，那么它的生命周期将与我们自己的恒星非常相似。

　　在其生命周期的大部分时间里，它将在其核心将氢融合成氦，

　　然后，当它的内核耗尽氢气时，核心开始收缩，

　　它加热恒星，使其膨胀，并使其开始在惰性核心周围的球壳中燃烧氢，

　　然后核心经历所谓的“氦闪”，内部温度升至约 2600 万 K 的阈值以上，从而开始氦聚变，

　　最后，当内核耗尽氦气时，恒星会吹掉其外层，形成行星状星云，而内核的残余物则收缩形成白矮星。

　　像太阳这样处于光谱低质量端的恒星，其寿命可能高达 2000 亿年：是宇宙当前年龄的 10 倍多。

　　但对于天文学家来说，恒星的技术定义是“任何在其核心发生氢聚变的物体”。大多数恒星（可能占所有恒星的75-80%）都属于红矮星类别：质量低于太阳质量40%的恒星，但仍在其核心将氢聚变成氦。

　　这些红矮星的质量仅为太阳质量的7.5-8%，在许多重要方面看起来与我们习惯的恒星非常不同。比邻星是距离我们最近的红矮星，其质量仅为太阳的12%。

　　它们相对较小：通常只比木星大一点，而木星本身的半径还不到太阳半径的10%。半人马座比邻星的半径只有太阳的15%。

　　它们微弱而黯淡，与太阳恒星相比，发出的可见光非常少。例如，比邻星的质量是太阳的 12%，仅发出太阳可见光的二万分之一。

　　它们温度较低，主要辐射红外线，而不是光谱的可见部分。比邻星的温度仅为3000 K，辐射的能量仅占太阳总能量的0.16%。

　　但真正让红矮星对许多天文学家来说引人注目的事实是，它的核燃料燃烧得如此缓慢、逐渐、温和，以至于这些恒星是我们所说的完全对流的。恒星内的粒子并不只是保持静止，而是可以稍微移动，因为来自内部的高能粒子可以被传输到外部，而靠近外部的较冷粒子可以下沉到内部。这发生在地幔内部；这种情况发生在巨行星的大气层中；它发生在整个红矮星的内部。

　　虽然类太阳恒星在核心和外部对流区之间有一个很大的辐射区，但这些常见的低质量恒星是完全对流的。这意味着粒子进出核心所需的时间小于核聚变完全燃烧核心氢燃料所需的时间。因此，类太阳恒星会将其内核中的氢完全融合，然后演化到其生命的下一阶段，最终排出其外层中未燃烧的氢，而红矮星将运输其核材料在其生命周期内多次进出核心，最终将其内部氢气100%完全燃烧。

　　由于红矮星相对于类太阳恒星的质量较低，并且核心温度较低，因此即使它们耗尽了氢并开始收缩以在核心中引发氦聚变，红矮星也永远无法达到必要的核心温度。虽然今天的白矮星都是由类太阳恒星形成的，主要由碳、氧、氖和更重的元素组成，但这些白矮星将燃烧掉所有的氢，然后完全收缩成为白矮星没有任何一个：

　　成为巨人，

　　启动“壳”融合，

　　点燃其核心的氦气，

　　或者将它们的外层驱逐到行星状星云中。

　　它们只会形成一个与地球大小相当的简并氦球：氦白矮星。

　　在红矮星光谱的高质量端，这些恒星在达到其不可避免的命运之前将存活几千亿年。然而，质量最低的恒星寿命最长。一直到恒星光谱质量最低的一端，那里的恒星质量仅为太阳质量的7.5-8%（或大约 80 木星质量），这些恒星不再通过抵消重力的内部辐射来平衡; 它们的大小主要由控制原子的物理原理决定，就像气态巨行星一样。事实上，已知质量最小的红矮星2MASS J0523−1403 的质量为：

　　68 木星质量（不确定度为±13），

　　温度只有2000 K，

　　发出的光度仅占太阳总光度的0.014%，

　　其半径仅比木星大1%。

　　它在可见光中非常微弱，以至于只有红外望远镜才发现它，尽管它距离我们相对较近，只有41.6 光年远。在成为真正的恒星的质量极低的情况下，它们最终可能不会比我们太阳系中发现的最大的气态巨星大。

　　但质量尽可能最低的红矮星能存活多久呢？假设没有任何东西干扰它的生命周期，这意味着：

　　没有其他恒星与它合并或相互作用，

　　没有同伴将质量从它身上吸走，

　　没有什么会严重扰乱或破坏它，

　　我们谈论的是数万亿年。准确估计这样一颗恒星的寿命存在严重的不确定性，但最小估计约为 20 万亿年，最大估计可达 380 万亿年左右。这真的是一段非常非常长的时间了！

　　但这并不一定意味着，380万亿年后，夜空中将不再可见星星。这有三个原因。

　　尽管总体而言，在过去约 110 亿年的宇宙历史中，恒星形成率一直在下降，但新恒星仍在富含气体的区域中继续形成，这些区域存在于我们的银河系和整个本星系群中。

　　银河系和仙女座星系即将发生一次伟大的星系合并，这将在大约 4-70 亿年后引发大量新恒星，其中许多恒星的质量将低得令人难以置信。

　　但在更长的宇宙时间尺度上，宇宙中充满了被称为褐矮星的“失败恒星”，其中许多存在于双星系统中。当它们相互螺旋并合并时，两颗质量足够的褐矮星可以合并产生一颗新的红矮星，然后红矮星可以燃烧到恒星的最大可能寿命。

　　换句话说，在现有的恒星中，寿命最长的恒星将存活数十到数百万亿年，最长可能寿命约为380万亿年。但宇宙仍在形成恒星，并且可能在数万亿年后仍以某种能力形成恒星。即使本星系群的星系全部合并在一起；即使我们宇宙气体的最后痕迹消失了；即使在暗能量加速了我们之外的所有星系团和星系团之后，我们仍然会有褐矮星合并在一起。

　　当两颗褐矮星合并并且它们的总质量超过~80木星质量阈值时，就会产生一颗红矮星，并且一颗新恒星将会出现。其寿命长达数万亿年（最长可达 380 万亿年），总有一天，我们本地群中的观察者会看到最后一颗恒星的形成。尽管很难理解这样的时间尺度，但甚至可能有一颗或多颗恒星在五万亿年后闪耀：是宇宙当前年龄的数十亿倍。如果真的是这样，我们将能够更好地了解宇宙的起源，并为我们的星球未来的命运提供线索。

（编辑：玉林站长网）

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