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太阳要少活10亿年? 这影响的可不只你我
2018-08-30 07:55:32 来源: 科技日报
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  你能想象一个没有太阳的世界是怎样的吗?天文学家的研究表明,如果没有太阳,一周内地球平均地表温度将降到低于零下17.78摄氏度,一年内则会骤降到零下73.33摄氏度,大多数植物会在几周内死亡,接下来大部分生命体会因为阳光的消失而烟消云散,一切都将归于死寂。

  现在知道,对我们而言太阳有多重要了吧!然而,不幸的事情发生了。近日,国外的科学家对太阳金属丰度的研究表明,我们可能将太阳寿命高估了10亿年,太阳有可能比我们以前预计的提前10亿年走向死亡。

  元素丰度掌控太阳命门

  据了解,以前科学家根据忽略转动效应的标准太阳模型推出太阳的寿命约为100亿年,这是由恒星演化程序模拟得到的一个理论值,而不是一个真实值。而且这个值只是指恒星演化理论上的中心氢燃烧寿命。

  “这并不是说太阳真的只能存在100亿年,准确的说法应该叫做太阳模型的主序寿命。理论上,大约100亿年后太阳会变成一颗红巨星,但它依然存在,而且会发出更多的阳光。”北京师范大学天文系杨伍明副教授告诉科技日报记者。

  他表示,得到100亿年这个理论值有许多前提条件,需要假定太阳的初始元素丰度和太阳内部的物理过程。初始元素丰度不同,得到的太阳模型寿命就不同。由于不可能真正得到太阳的初始元素丰度和确定其内部的物理过程,因此太阳甚至其他恒星的寿命是无法精确估算的。

  二十年前,天文学家对太阳直接和间接的测量结果都表明,太阳的金属丰度在1.8%左右;然而,最新的太阳光谱测量表明,太阳的金属丰度仅有1.3%,远低于之前的测量结果,相应的,太阳的寿命也会减少10亿年。

  所谓的太阳金属丰度是除氢氦以外的太阳元素丰度的总称,此金属不同于我们通常所说的金属,由于太阳中氢元素和氦元素的含量占了绝大多数,天文学家把太阳中的所有更重的元素都称为“金属”。这些金属的含量虽微,但却影响着太阳的命运。

  由于金属元素的电子容易吸收光子,从而阻碍辐射,太阳或恒星的金属丰度越高,不透明度也就越高。而太阳或恒星的不透明度与其寿命、温度、亮度等性质密切相关。瑞典斯德哥尔摩大学研究太阳金属丰度的物理学家萨尼·瓦尼奥奇表示,极少量的金属就足以彻底改变恒星的行为,金属丰度基本上能告诉你这颗恒星将如何死去。

  大气模型影响太阳寿命估算

  最新研究所采用的太阳光谱测量通常是指天文学家通过太阳光谱分析得出氢、碳、氮、氧、铁等所有能测的元素的谱线,然后和太阳大气模型给出的谱线进行比较,当两者一致时,大气模型中所采用的氢、碳、氮、氧、铁等元素的丰度就认为是太阳光球层的元素丰度。“但是,这种方法无法获得氦、氖、氩等惰性气体的相对丰度。太阳表面的氦元素丰度只能由日震学推断给出。”杨伍明说。

  最新的测量结果出来以后,不少人都在疑问:为什么前后两次测量的太阳金属丰度会有这么大的差异?

  对此,杨伍明解释道:旧的太阳金属丰度是由局部热动平衡的一维大气模型结合观测谱线推导给出的;而新的太阳金属丰度则是由非局部热动平衡的三维大气模型结合观测谱线推导给出的。旧的一维大气模型被认为忽略了许多物理因素,有科学家认为新的大气模型更接近真实情况,正是大气模型的改善以及原子、分子跃迁几率数据更新等造成新旧金属元素丰度的不同。

  在恒星演化中,如果其他条件不变,金属丰度减小会导致中心核反应产生的能量更容易向外辐射。而能量容易向外辐射,则会导致恒星更容易收缩,使得恒星中心的密度、温度等增大。更重要的是,密度、温度的升高会使氢燃烧速率加快,从而导致中心氢燃烧的总时间缩短,也就是太阳模型的主序寿命缩短。但如果其他条件改变,比如氢元素丰度增加或者考虑太阳的自转对其演化的影响,那么前面说的寿命减少就不存在。

  那么,未来该如何验证哪种方法得出的太阳寿命更正确?

  在杨伍明看来,这个问题的答案在于哪个金属丰度测量值更准确,以及日震学反演结果是否可靠。只有给出正确的太阳元素丰度,才能确定太阳的寿命有多长。如果我们能给出和日震学反演结果一致的新金属丰度太阳模型,所有相关问题将迎刃而解。

  寿命几何事关恒星演化理论

  对于太阳金属元素丰度的争论,南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞表示,他倾向认为最开始推出的太阳寿命是正确的,太阳的寿命并不会减少10亿年。“基于几个理由我更倾向于认为原来的模型是对的:第一,人造卫星对太阳风中金属丰度的测量结果是支持1.8%的;第二,太阳表面的光球层密度足够高,以往采用局部热平衡模型的近似是合理的;第三,新模型考虑了太阳大气的非均匀性确实是一个进步,可是也忽略了其他一些因素,比如磁场的影响;第四,退一步讲,即使新模型的结果是对的,但由于金属丰度的分布可能是不均匀的,太阳表面的金属丰度也许和内部存在差异。”陈鹏飞说道。

  与此同时,杨伍明也更赞同最开始推出的太阳寿命是正确的。他表示,太阳的寿命并没有被高估10亿年,认为太阳寿命被高估是因为只考虑了金属丰度减小,当考虑到氢元素丰度增加和转动对太阳演化的影响时,太阳的寿命就不会减少。

  然而,澳大利亚国立大学的天体物理学家马丁·阿斯普朗德就坚持认为,1.3%的太阳金属丰度是正确的。他表示,天文学的方方面面都会因此受到影响,对恒星演化的准确认识,几乎奠定了一切的基础。

  那么,如果天文学家确实将太阳寿命高估了10亿年,究竟需要对哪些理论进行修正?

  在杨伍明看来,如果太阳的生命真的被高估10亿年,这说明天文学家之前建立的恒星演化理论不够完备,他们就需要重新审视之前建立的恒星演化理论和模型。例如标准的恒星演化理论都忽略了恒星转动的影响,而事实上所有的恒星都在转动。我们到了需要认真考虑转动对恒星演化影响的时代了。天文学对星团、星系等的研究在一定程度上都依赖于恒星演化理论,如果恒星演化理论错了,之前对星团、银河系等的认识也需要调整。(记者 陆成宽)

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