太陽是一顆二代恆星,那麼一代恆星的殘骸核心能找到嗎?如果能,它又在哪裡?

現在討論的是太陽前世恆星的殘骸去哪兒了,下面一堆回答糾結到底是二代還是三代,都在答非所問。
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我是提問者,我蠻心塞的。


先說一下重點:

1.太陽不是第二代恆星;
2.第一代恆星的殘骸一定是黑洞,不可能是白矮星。至於在哪,找不到。。通常認為第一代恆星形成的黑洞是現在星系中心超大質量黑洞的種子。

非本人方向,在自己的理解範圍內簡單說一下吧。
(全文無圖,純乾貨……)

第一代恆星為什麼質量很大?
第一代恆星(first star)是現在非常熱門的研究方向,對於它們的了解還很少,但有一點可以肯定,它們的質量都非常大,通常在10^3太陽質量以上,這是為什麼呢?恆星是分子雲在自引力作用下坍縮而來,分子雲坍縮的過程中,內部會變熱,如果沒有很好的冷卻機制,是縮不下去的,那麼分子雲靠什麼冷卻呢?靠分子的發射線。分子通過能級躍遷,發出光子,帶走能量,比如CO分子,結構不對稱,它旋轉的時候就會放出光子,成為一種冷卻機制。但對於第一代恆星,金屬丰度極低(天文學上比氦重的元素都稱為金屬),在大爆炸之後,只有氫氦鋰等元素,幾乎沒有金屬。所以那時的分子雲幾乎全是H_2He,而H_2沒有旋轉能級躍遷(兩個原子一樣,轉來轉去能量沒什麼變化。),He就更不用說了。所以沒有有效的冷卻機制,這樣原初分子雲就很難冷下來,要想使熱熱的分子雲坍縮下去,只能增大質量了,當自引力大到一定程度,分子雲就被強行的縮成了恆星,這樣,就形成了質量超大的第一代恆星,至少要在幾百倍的太陽質量以上。

第一代恆星變成了什麼?
答案是黑洞,並不是另一個答案里說的白矮星。這取決於恆星死亡爆發之後,核心殘餘了多少物質用於坍縮,如果小於1.44太陽質量,就形成白矮星,介於1.44到3個太陽質量之間,形成中子星(這一質量範圍其實還沒有完全確定),大於3個太陽質量,就形成黑洞。大約二十倍太陽質量以上的恆星死亡時就會形成黑洞,所以對於身材龐大的第一代恆星,其結局是大約10^2太陽質量的黑洞。這些黑洞現在在哪?一定還是黑洞。因為這些黑洞在以後漫長的演化過程中會吸積物質長大,甚至合併,只會長得更大,不會消失。(霍金輻射是非常非常緩慢的,可以忽略。)

我們知道絕大多數星系中心都有超大質量黑洞(10^6-10^{11}太陽質量),所以一種廣為接受的理論是第一代恆星形成的原初黑洞是星系中心超大黑洞的種子,它通過吸積合併慢慢長大,變成超大質量黑洞。不過這一理論現在受到了越來越多的挑戰,尤其是近期中國科學家發現了在大爆炸9億年後就形成了120億太陽質量的黑洞,其形成原因是難以理解的。

太陽是第幾代恆星?
首先,太陽一定不是第二代。我們看一下第一代恆星是什麼時候死掉的,恆星的壽命可以用質量除以光度來估算,即frac{M}{L} ,而光度與質量的關係可以粗略的寫成Lpropto M^{3.5},因此壽命反比於質量的2.5次方,所以對於幾百太陽質量的恆星,不到十萬年就死掉了,這對於宇宙現在138億年的年齡來說,幾乎是一瞬間,緊接著第二代恆星就形成了。而我們的太陽是50億年前形成的,顯然不是第二代。

第一代恆星在演化過程中會通過核聚變形成大量的金屬元素,最重的可以形成鐵,然後在它們死亡的時候,會通過超新星爆發進一步產生比鐵更重的元素(沒錯,除了人工合成,所有比鐵重的元素都只能通過超新星爆發產生,比如你的金項鏈...)。由於金屬丰度變高了,有了有效的冷卻機制,第二代恆星就沒有第一代那麼大了,壽命也會長一些,之後星際介質的金屬丰度會越來越高,形成的恆星的金屬丰度也越來越高,我們判斷太陽是第幾代恆星就是根據它的金屬丰度判斷的,現在較常見的說法是第三代(或者說,其金屬丰度相當於第三代恆星)。

說太陽是第幾代恆星其實是不太嚴謹的說法,因為每一代恆星不是一起死掉的,而且恆星也不是像生孩子一樣一代一代生出來,恆星沒有明確的父母,恆星在不停的產生,也在不停的死亡,形成恆星的星際介質在不停地循環。形成太陽的那些物質,可能大多數來自一個死去的大質量恆星,但一定還混合了周圍其他恆星留下的物質,說不定還包括了一些從來沒有用於形成恆星的物質。所以,我們只能說,太陽至少不是第二代。

既然題目問的是前世恆星的殘骸在哪裡,那就再補充一下:

關於太陽的上一代,我們是非常不確定的,太陽繞銀河系中心轉一圈是2.4億年,而太陽已經形成了50億年,這樣算來已經轉了20圈了。不過這是非常粗略的估計,實際上,銀河系的質量在50億年前遠沒有現在這麼大,太陽距銀心的距離也可能發生了很大的變化。總之,太陽的形成環境是很難追溯的。如果太陽的形成跟50多億年前的某個超新星爆發有關的話,那個超新星遺迹應該早已徹底耗散冷卻,形成了一批新的恆星,而那個坍縮的核心,也不可能在太陽附近,或者說,我們完全不知道它在哪。。


樓上說得正確,原則上可以通過觀測分析出太陽由多少agb星和多少超新星生出來。這裡補充一下為什麼有人說太陽是第二代恆星,這是因為銀河系的恆星按年齡有兩類星族,太陽屬於星族I,即年輕的一類恆星,因為星族的概念不是很容易普及,所以簡單的稱為銀河系的第二代恆星。也有人根據宇宙中可能存在星族III的概念把太陽叫做第三代恆星,所以這裡的第幾代並不是科學上的嚴謹用法。


太陽是 population Ⅱ star,不是第二代恆星。
population Ⅰ是metal rich,即豐金屬元素(天體物理上,指原子序數大於2的元素),這類恆星在銀河系內分布於旋臂。
population Ⅱ是metal poor,分布於靠近銀心的外部空間。
還有一類population Ⅲ star,extremely metal poor,它是題主認為的第一代恆星。


張程鵬的答案說的真好。
這個問題我聽學太陽物理的哥們分享過。
如果按照generation的定義來劃分,太陽都不知道是第n代了

從這張圖開始我們的維基之路:

圖片來自Stellar evolution
下方高能,假說預警:
1.能被追溯為最早提供必需材質的「母基」叫做「恆星搖籃」(Stellar nurseries)
高密度的星際介質(gas and dust)可以形成星雲(diffuse nebula),在這塊高密度區域中,大量的氫元素是以H2分子形式存在,所以這些星系也被叫做分子雲(molecular clouds)。
最有名的當屬哈勃望遠鏡拍攝的這張星雲的圖片了:

圖片來自Star formation
這張是天鷹星雲中,恆星在形成中的一副光景,天文學家管這個叫做「創生之柱」(Pillars of Creation)。
星際星雲的gas會維持流體力學靜態平衡,只要gas pressure的動能與內部引力勢能相等。打破這一平衡的現象叫做引力坍塌(Gravitational collapse)。可能引發的爆點有分子雲之間的碰撞,或者超新星的爆發——把激波擾過的物質彈射到分子雲中。
銀河系中的超大質量的黑洞,也能夠調節星系核中恆星形成的速率,它拋射的物質帶來的射電輻射也可以引發恆星的形成。
在一系列的引發之下,分子雲最終會解體成複合恆星質量大小的「碎片」。這個過程叫做「Cloud Collapse」。
2.原恆星(Protostar)的出現
前面說的那些小碎片,不要小看它們,這些是恆星的「Precursor」,就是前驅體。
當前驅體溫度足夠高的時候,內部氣體的壓力就會對引力坍塌開始反擊,伴隨著進行的是物質的吸積階段。

圖片來自 A Young Star Flaunts its X-ray Spots.ogv
當溫度和密度變得更大後,氘聚變開始了,合成物輻射產生的向外壓力不斷減緩引力的塌陷過程。當周圍的氣體和塵雲停止分散,吸積過程也停止時,一個光學可見的主序前星(Pre-main Sequence Star)出現了。
這是一張原恆星(Protostar)爆發的照片:

圖片來自Protostar
這裡說到的原恆星,跟後來再此基礎上演化的恆星還是有很大區別,在原恆星里還是只有氫原子而已。不過,這些原恆星的體型巨大,質量超重,有可能是宇宙出現過的最大恆星種類。
對於冰淇淋,巨輪卡車,蝙蝠車,航空母艦,質量和尺寸越大越好,然而對恆星來說,這些參數卻不一定是他們想要的。
因為根據公式:

摘自Hansen, Carl J.; Kawaler, Steven D. (1994). Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution. Birkh?user. p. 28. ISBN0-387-94138-X.
式中,M☉ = (1.98855±0.00025)×10^(30)kg,為一個太陽質量
L☉是太陽光度,可以用輻射通量來表示,它用來表示恆星可以釋放的光能,衡量恆星的真實亮度
一個太陽光度的數值是3.846×10^26W。

是恆星在主序階段的壽命。
可以看出,質量越大,反而主序壽命越短,可以用軟體模擬一下:
模擬地址:http://spiff.rit.edu/classes/phys230/lectures/star_age/evol_hr.swf

質量為1.5M的恆星,主序壽命有1.68 billion years,而從主序到死亡用了不到1 million years

質量為7.0M的恆星,主序壽命只有37.7 million years,從主序到紅巨星階段用了大約200 hundred years。
因為質量和尺寸越大,核聚變的速率越大,而你的氫是有限的。

H-R圖(Hertzsprunga€「Russell diagram)也可以看的很明顯:

圖片來自http://d1jqu7g1y74ds1.cloudfront.net/wp-content/uploads/2013/05/hr-diagrm-schematic.jpg

在這樣的過程中,恆星不斷死亡和形成,由於有很多的自由氫,它們可以被用來製造出更多的新恆星,同時又會打斷和影響其他恆星的進程,這樣反覆的進行,直到有穩定狀態的恆星形成,在這之間多少代的恆星死亡再生,才產生了像太陽這樣有足夠的非氣態物質去合成許多岩質行星所需的種子。
因此,根據「Generation」的定義,沒人可以確定太陽是幾代恆星。
至於上面的過程,直接的證據很難找到,因為你不可能回到太初去觀察太陽是如何煉成的,只能通過觀測別的星系、星雲中的恆星的"生長"來佐證。

就比如,在2015年7月,里斯本大學的David Sobral和萊頓天文台的天文學家們一起撰文稱,發現了第一代恆星的印記,而這片星系據說形成於宇宙只有8億(800 million years old)歲的時候,從那裡而來的光穿梭了129億年達到我們,才讓我們看到了這樣一副光景:

圖片來源於http://www.nytimes.com/2015/06/18/science/space/astronomers-report-finding-earliest-stars-that-enriched-cosmos.html?_r=0
上圖是藝術家合成的圖,想要看文章的話請打開http://arxiv.org/pdf/1504.01734.pdf
除此之外,還有在大麥哲倫星系中的LH 95恆星搖籃

圖片來自File:LH 95.jpg
獵戶星雲更加年輕的恆星正在形成:

圖片來自File:Orion Nebula
天鵝座中S106 IR被塵雲覆蓋

圖片來自File:Star-forming region S106 (captured by the Hubble Space Telescope).jpg

去找尋「那個一代恆星的殘骸核心」顯然不太現實,至少以人類目前的技術。
不過這裡可以介紹一個有趣的現象
先看下面這幅圖:

圖片來自Light echo
「V838 Monocerotis」是組圖中正中央的紅色恆星,在2002年的時候,它經歷了新星(Nova)的爆發,那團在它周圍發光的殼狀包裹物質根據時間的變化好像不斷在膨脹。
實際上不是,當新型爆發時,它會噴射出難以想像的超亮光。類殼狀形態從恆星中心以光速向外「膨脹」,我們所看到的實際上是光從殼狀物質上的反射!這個現象就叫做「光回聲」(Light Echo)。

圖片來自Light echo
而這顆新星爆發的歷史就被會被呈現在反射光中。如果你搜集足夠的片段,你就可以看到整個Nova的歷史。
假設我們的太陽在形成之初周圍有大量的殼狀星塵,如果有智慧生物存在足夠遠的星系中,比如132億光年

圖片來自http://www.nytimes.com/2012/10/02/science/hubbles-13-2-billion-light-year-squint.html
搜集到了來自太陽母恆星的光回聲,也許就能記錄整段信息,如果有可能造訪地球,足夠友好的帶來這些片段,我們的後代也許真能目睹我們的太陽孕育。
以上參考資料:
Star formation
Pre-main-sequence star
Main sequence
http://spiff.rit.edu/classes/phys230/lectures/star_age/evol_hr.swf
https://www.quora.com/Is-it-possible-that-light-reflected-from-the-earth-be-caught-and-be-recorded-to-see-the-past-history-of-the-earth
Light echo
Radiant flux


一代恆星的殘骸核心是白矮星

一代恆星指的是宇宙大爆炸之後,由氫氦等輕元素構成的恆星,而且一般體積都比較大,比較容易形成黑洞,沒有形成黑洞的,會在核聚變後期引發氦-碳聚變,能量釋放速度加快從而引發爆炸。爆炸之後爆炸內壓使得核心發生更大的坍縮,太陽那麼大質量的白矮星,體積只有地球這麼大。白矮星的主要元素成分是碳氧鎂,一代恆星超新星爆炸拋射出去的星體物質主要成分是氫氦氧和一些碳。

太陽很明顯不是第二代恆星,而是N代恆星,地球包括太陽上雖然主要成分還是氫氧碳,但還存在有大量的鐵,以及比鐵重的元素金,鈾等,元素表是非常齊全的,這點意味著,組成太陽以及地球的這些元素,來自於多次甚至非常多次的超新星爆炸,尤其是金,鈾這些元素,是需要用鐵等更重的元素去參加超新星爆炸才可以形成的更重元素,也就是說,太陽之前的那一帶恆星就已經至少有鐵元素等重元素了,肯定不是第一代恆星了,連第二代都很遙遠。


最高票已經說的很好了。補充一下,目前還沒有觀測找到第二代恆星。


太陽是N代,N大於2。太陽的前世應該是很多個一代二代N代恆星,它們超爆後的物質(如果質量不夠大,不是超爆,只是拋出一些物質)最終匯合成原太陽。所以一代殘骸應該是一群大黑洞,分布在宇宙各處。


相同的問題我也思考過,那顆恆星毀滅了之後,只有千萬分之一的質量產生了我們的太陽系,究竟那個恆星會是什麼樣的級別,他的殘骸在那裡。也許按照這麼大的質量比例,是生成了個黑洞,然而那個黑洞又是我們太陽系的來源。卧槽,我只能浪漫地回答下了,因為臣妾也不知道啊。。。

更新:然後我查了下網上,找到一段這樣的話,雖然題主應該也是不滿意,不過從某種程度上來說接近了你的問題


Where is the supernova remnant that led to our solar system? (Intermediate)

Solar systems like ours with heavy elements are formed from the materials after old supernova explosions. After a supernova explosion, there is a dense core left (e.g. neutron star). Why have we not observed the remnants or dense core to the parent of our solar system?You are correct when you say that the presence of heavy elements in our solar system and on Earth can only be explained from supernova explosions. From what my advisor told me, astronomers have determined that about a million or so years after the supernova (or perhaps multiple supernovas), the remnants settled into the solar nebula from which our Solar System was forming and thus later formed the Earth and Sun and other planets from these raw elements.

This supernova would probably have left behind a neutron star or perhaps even a black hole, but there is no way we can determine that.The reason we cannot observe whatever is left from the "parent supernova" of our solar system is simply because 4.5 to 5 billion years [the age of our Solar System] is a pretty significant time in the universe, and there is no way we can determine what our Galaxy looked like that long ago, and there is no way we can determine what significant events have happened within our galactic neighborhood between now and 5 billion years ago. I know it sounds like a cop-out answer, but it is simply too difficult. Keep in mind that in those 5 billion years, the Sun has travelled around the galaxy about 20-30 times. Many different things could have happened to this parent supernova core remnant in this time. Stars generally move around the Galaxy but also move relative to each other, and there"s no way we can determine the precise motion that the supernova and its remnants had 5 billion years ago. Who knows... it may have even travelled outside our Galaxy in this time... we just don"t know.

This page was last updated June 28, 2015.


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