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其它恒星穿过太阳系会造成毁灭吗?

2018-04-04  heruiyu

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通常我们会把太阳系统(恒星系统)视为一个稳定大部分为安静的地方。当然也会发现行星和其他轨道上的天体会每隔一段时间在彗星或小行星周围肆虐,但大多数情况下情况是稳定的。即使偶尔的星际游客也不会带来太大的风险,至少不会影响这个系统的完整性。但是整个太阳系正在银河系中旋转,这意味着有数千亿次与其它恒星进行“密切亲吻”的机会。

图注:7万年前一颗被称为Scholz星的褐矮星,正好位于其核心点燃氢聚变的零界点上,穿过了太阳系的奥尔特云。然而与插图不同的是,它仍然不能被人眼看到。图片信息及版权:José A. Peas/SINC

那么多久才会有一场这样的亲吻呢?潜在的危险又是什么?如果有一颗恒星从太阳附近经过,情况会有多糟糕?那么有多大距离的接近才会造成严重的危险?发生这样事件的概念又是多少?这些可能性的范围很广,下文让我们来看看实际可能发生的情况吧。

图注:银河系和周围天空的恒星密度图,清晰地显示了银河系,大小麦哲伦云,如果你仔细观察,NGC104在SMC的左边,NGC 6205略高于和在左边银河核心和NGC 7078稍低。总而言之,银河系在其盘状区域包含了约2000亿颗恒星。图片信息及版权:ESA/GAIA

最好的估计是银河系中有2千亿到4千亿颗恒星。虽然恒星的大小和质量各不相同,但大多数恒星(每4颗中约有3颗恒星)都是红矮星,其质量是太阳质量的8%至40%之间。这些恒星的物理体积与太阳相近,平均约为太阳直径的25%。

所以大概知道银河系有多大:一块厚约2000光年的光盘,直径约10万光年,中心隆起的半径约为5000光年~8000光年。相对于太阳而言,典型恒星的运动速度大约为20公里/秒:大约是太阳(以及所有恒星)通过银河系本身运行速度的十分之一。

图注:尽管太阳系在银河系的平面内离中心约25000光年~27000光年,但太阳系行星的轨道方向与星系完全不一致。图片信息及版权:Science Minus Details

这些是银河系内恒星的统计数据,但在这里忽略了很多细节,一些危险和细微的差别,就像我们是否处于旋臂上的密度变化一样,事实上有更多的中心恒星及外围星(太阳在边缘的中间)、太阳系轨道相对于星系的倾角、都取决于太阳系这样的恒星是否处于银河系中心的微小变化。可以忽略这些的原因是从近似值来看,这些数字让科学家能够计算出星系中恒星距离太阳特定距离的频率,因此可以预估到太阳系能经常遇到各种各样的影响的可能。

图注:太阳和许多离太阳近的恒星之间距离是精确的,大尺度恒星规模图。图片信息及版权:Andrew Z. Colvin / Wikimedia Common

科学家计算方法非常简单:计算恒星的数密度,横截面(定义为希望另一颗恒星靠近自己的距离)以及恒星相对移动速度,然后将它们相乘就能得到碰撞率。碰撞率的这种计算方法对于从粒子物理到凝聚态物理物理的所有应用都是有用的(对于专家来说,这基本上是Drude模型(德鲁德模型),也同样适用于天体物理学。假设银河系有2000亿颗恒星,恒星是均匀分布在整个盘(忽略凸起)上,这20公里/ s是恒星相对(本身)移动的速度,如果绘制(下图)的相对速率与离太阳距离的关系,这就是所能得到的。

图注:银河系内恒星有可能在太阳某个距离内经过的频率。这是一个对数坐标图,y轴为距离,通常需要等待x轴出现这样事件的时间。图片信息及版权:E. Siegel

这样就能知道,平均而言可以预估一颗恒星在宇宙历史上最接近太阳的距离约为500 AU(天文单位(1AU=1496x10^5千米),或者约是从太阳到冥王星的距离的十倍。每十亿年,一颗恒星会进入距离太阳大约1500AU(天文单位),接近零散的柯伊伯带的边缘。更常见的是大约每30万年左右,就会有一颗恒星在距离太阳为1光年处。

图注:这是我们太阳系对数视图一直延伸到最近的下一个恒星系统,图显示了小行星带,柯伊伯带和奥尔特t云的延伸。虽然穿过奥尔特云的恒星可能是常见的,但极不可能通过比这更近的距离。图片信息及版权:NASA

这对我们太阳系行星的长期稳定性是有利的。根据太阳系45亿年的历史,一颗恒星接近任何行星的可能性与太阳到冥王星机几率的一万分之一,一颗恒星与太阳接近一颗行星的可能性(这将严重破坏轨道并引起弹射)小于1亿~10亿分之一。这意味着银河系中另一颗恒星经过并造成严重困难的可能性非常低。但也不能否定这样极低事件不会发生。

图注:内行星和外行星的轨道都遵循开普勒定律。即使冥王星在任何可感知的距离内出现经过恒星的几率都非常低。图片信息及版权:NASA / JPL-Caltech / R. Hurt, modified by E. Siegel

但是当恒星通过奥尔特云(定义为距离太阳1.9光年)的过程中,可能已经超过了40000次,破坏了大量的冰体。当通过太阳系时,恒星会很有趣,因为两个因素结合:

1、奥尔特云的天体与太阳系“非常松散”(因为太阳的作用力相对很微弱),这意味着一个非常小的引力就足以显着改变它们的轨道。

2、恒星非常大,所以一颗恒星离这些天体的距离与太阳是距离相同,也它可足以改变轨道。

所以无论我们何时遇到与一颗正在流浪恒星密切接触,都有可能在接下来的几百万年内与来自奥尔特云的传入天体发生碰撞,从而增加风险。

图注:柯伊伯带是太阳系中已知天体数量最多的地方,但奥特云,更暗淡,更遥远,不仅包含更多,而且更可能像另一颗恒星那样经过的质量扰动。需要注意的是:所有柯伊伯带和奥尔特云天体都以相对于太阳极小的速度移动。图片信息及版权:NASA and William Crochot

换句话说,一颗恒星的影响不会明显影响到冰冷彗星般的天体进入太阳系内部,直到另外20颗恒星与太阳系亲密接触!这是有问题的,因为在我太阳附近经过最近的一个恒星系统,Scholz恒星(它在7万年前就已经发生了)距离有20光年远。然而这个分析有一个潜在的乐观之处:当太阳系在最近500光年范围内是能更好地绘制和理解星体及其运动,可以更好地预测何时何地流浪恒星会影响奥尔特云的天体。如果关注的是经过恒星向内“弹射”天体的行星防御(地球安危),这类知识是显而易见是下一步应该去探索掌握的!

图注:WISEPC J045853.90 + 643451.9以绿色显示,是美国宇航局广域红外勘测资源探测器或WISE发现的第一个超低温褐矮星。这颗恒星位于距离我们约20光年的地方,为了观测整个天空并获得可能在太阳附近经过的恒星,导致今天可能出现的奥尔特云风暴,将不得不扩大到500光年范围。图片信息及版权:NASA/JPL-Caltech/UCLA

这将需要建造广域测量望远镜,能够看到很远微弱恒星的地方。美国宇航局(NASA)的广域红外勘测探测器(WISE)任务就是这个原型,但它可以观察到最微弱,最常见恒星的距离受到其尺寸和观测时间强烈限制。一架全天空红外太空望远镜可以将我们周围的邻居描绘出来。可以知道什么时间,从什么方向,可能到达的什么星引起这些扰动在奥尔特云天体。

引力是相互作用一直在发生,因为即使太空中恒星之间有很大的距离,奥尔特云也是巨大的,而且在长时间尺度上有不少机率会影响到太阳系内部。如果有足够的机会,你可以想象的一切都会发生!但对于我们这些生命短暂的生物来说这太长了,一代人不过区区80载,而宇宙时间长河中,天体事件的发生不是以亿年为单位就是以数万年为单位!

博科园-科学科普|文:Ethan Siegel|来自:Forbes Science

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