太陽的新傳記

在最初，在構成太陽系的原子之間只有寒冷和黑暗。 46億年前，太陽並不存在，只有來自早期恆星的稀薄雲霧殘骸，其中儲存著在先前超乎我們理解的災難中鍛造的元素。 然後發生了一些事情。

也許是路過的天體遊牧者的引力推動了雲層； 也許是一顆更遙遠的恆星爆炸了，釋放出一陣風吹拂著原子，就像微風可以將樹葉吹成一堆一樣。 無論如何，原子聚集在一起並開始凝聚，直到最終物質變得足夠熱，開始將氫聚變成氦。 太陽誕生了，不久之後，地球也誕生了。 不到十億年後，最早的生命出現了，至少在這個星球上——現在我們就在這裡。

這個基本故事是科學界幾十年來所講述的：太陽誕生，一段無聊的時光，然後是創世紀。 但是，強大的新型太空望遠鏡和新興的“宇宙化學”領域，以及從生物學借用的譜系技術，使天文學家能夠為太陽撰寫更加豐富和複雜的傳記。 今天，科學家們知道我們的恆星並非總是孤單的。 它曾經有兄弟姐妹，甚至可能收養了它們的一顆行星。 太陽及其行星有一個，因為缺乏不太擬人化的詞，母親：一顆巨大的恆星，其短暫的生命為太陽系提供了胚胎物質。 這種前體物質可能與星系的其他部分隔離了至少3000萬年，這是一個漫長的孕育期，與太陽製造行星的速度不符。

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即使是太陽最終的死亡也開始變得清晰起來。 天文學家知道，大約在五十億年後，它將耗盡其氫供應並開始冷卻，膨脹成一個腫脹的龐然大物，其外邊緣可能會吞噬我們的星球。 但是他們仍在學習太陽的死亡嘎嘎聲將如何影響星際介質（填充恆星之間空間的氣體和塵埃）、未來恆星的構成以及整個星系。 太陽有可能在死亡時成為“母親”本身，從而使新的恆星以及可能的新行星得以形成。

在更多地瞭解太陽的過去、現在和未來時，科學家們不僅僅是在撰寫我們自己的歷史。 宇宙中可能存在無數的恆星，但我們只能親密地瞭解一顆。 我們獲得的每一個見解都為我們永遠無法如此瞭解的許多遙遠天體投下了光明。

太陽之前：太陽的祖先

在太陽點燃之前的數百萬年，在它成為銀河系眼中的一絲光芒之前，它的祖先統治著銀河系鄰域。 這些早期的恆星本身就是銀河系第一代恆星的許多代曾孫，它們的數量達到數萬顆。 在它們自身形成的幾百萬年內，其中一些開始死亡。 它們的劇烈死亡為銀河系區域播下了第一批重元素，例如鐵和鋁。 這些恆星的殘餘物孕育了後代恆星，包括太陽的先祖。

天文學家正在使用隕石（太陽系誕生時遺留下來的碎屑）重建這段歷史。 研究人員將隕石中各種放射性同位素的含量與星系星際介質中的含量進行比較，後者不斷地被天體死亡的陣痛所補充。 這些放射性物質的丰度各不相同，它們會隨著特定的時間尺度而減少，這為天文學家尋找太陽系構件最終存在的時間提供了時鐘。

透過追蹤一種放射性同位素鋁26，法國國家自然歷史博物館的馬修·古內爾和日內瓦天文臺的喬治斯·梅內特追溯了太陽的家族樹三代。 鋁26是放射性的，半衰期約為73萬年——這意味著任何給定樣本的一半將在該時間內衰變。 它存在於追溯到太陽系最早期的隕石中，許多天文學家認為它起源於一顆超新星，這顆超新星可能在太陽形成時在附近爆炸。 但是，一顆超新星來標記太陽系誕生的時刻將是一個不尋常的巧合。 相反，在2012年及之後，古內爾和梅內特表明，鋁26可能是在一顆巨大的恆星內部形成的。

根據古內爾和梅內特的計算，這顆恆星將是我們宇宙角落中最龐大的恆星，質量約為太陽的30倍。 像其他巨大的恆星一樣，它會經歷短暫但壯觀的生命，在點燃後的幾百萬年內爆炸。 它不僅會合成鋁26，而且在其超新星的劇烈死亡中，還會將氫氣、重金屬和放射性元素注入到將成為太陽系的氣體雲中。 研究人員將這顆恆星命名為“科特利奎”，以紀念阿茲特克宇宙起源論中太陽的母親。

研究提供了更多關於太陽系構件如何形成的線索。 例如，2014年，澳大利亞的科學家表明，地球和隕石上的一些重金屬，如金、銀和鉑，在大約在太陽誕生前1億年就到達了附近。 一部分稀土元素，如釹，在大約在太陽形成前3000萬年到達了太陽的孕育環境。 因此，太陽孕育了很長一段時間，上限為3000萬年。

紐約市熨斗研究所的天體物理學家梅根·貝德爾說，儘管天文學家無法及時回溯以驗證這個故事，但他們可以將其與其他具有相似化學成分的行星系統進行比較。 時間線似乎是一致的。 “我們正在將太陽置於其鄰居的背景下，並看到對於其形成條件而言，它是一顆非常典型的恆星，”她說。

除了追蹤太陽的祖先外，科學家們還在使用生物學工具來尋找它的表兄弟、叔叔和其他親戚——更廣泛的家族樹。 植物學家可能會使用DNA或遺傳特徵將一種植物物種與另一種植物物種聯絡起來，而天文學家則研究不同恆星中化學元素的比例，以研究它們之間的關係。 格勒諾布林行星學和天體物理研究所的天文學家迪迪埃·弗萊克斯-伯內特是2001年首次提出這種技術的人之一。 他將其稱為“星系分類學”，以生物學家用來描述繪製遺傳特徵技術的術語分支系統學命名。 去年，智利迭戈波塔萊斯大學的寶拉·喬弗雷和她的同事們使用這種方法為太陽的鄰域構建了一棵恆星演化樹。

在與劍橋大學的一位生物學家合作時，喬弗雷的團隊使用了一種來自生物學的聚類方法，稱為距離法，該方法構建了一棵進化樹，其中不同的分支表示進化變化。 在天文學中，分支代表在年齡和在星系中的運動模式上分離的恆星種群。 想象一下兩代恆星。 第一代有兩顆恆星——一顆大的和一顆小的。 更大的恆星會更早爆炸，並以科特利奎死亡並誕生太陽的方式產生第二代恆星。 “第二代攜帶著來自第一代的資訊。 它們在‘基因上’是相關的，”喬弗雷說。 “所以你可能會找到一顆恆星和它的叔叔。”

喬弗雷和她的同事仔細檢查了22顆與太陽相似的附近恆星，並專注於17種化學元素作為DNA的替代品，以確定“家族”關係。 他們的分析根據元素比例對恆星進行分組，並將它們分為兩個著名的恆星家族。 他們還發現了一些屬於一個新的、以前未知的第三組的恆星，喬弗雷說這仍然令人費解。

一顆恆星及其兄弟姐妹的誕生

從科特利奎及其祖先在太陽形成前數千萬年的誕生開始，太陽的誕生雲中一直很繁忙。 氣體坍縮並點燃，形成了其他恆星。 當它們開啟時，來自它們的恆星風的壓力和它們發出的光會將附近的氣體向外推，最終引發更多恆星的誕生：太陽及其同胞。 對這些同胞數量的估計從幾百到數萬不等。 考慮到太陽行星相當穩定的排列，真相可能更接近下限：更近的兄弟姐妹會擾亂太陽系，改變其內部行星的數量和位置。

儘管太陽的兄弟姐妹出生時相對接近，但它們早已散去。 經過漫長的歲月，一些兄弟姐妹爆炸成虛無，另一些兄弟姐妹由於圍繞星系中心旋轉速度的微小差異而漂散開來。 它們目前的位置幾乎不可能與其起源地相匹配。 “就像我和我的雙胞胎兄弟一樣，我們一起形成，但我們完全分散開來並做了不同的事情，”哥倫比亞大學的天文學家基思·霍金斯說。 他說，化學標記，也稱為宇宙化學——例如比較恆星中某些重元素和輕元素比例的技術——使科學家能夠看到恆星之間原本不可見的聯絡。

2014年，伊萬·拉米雷斯開始尋找太陽的同胞，並找到了一顆。 拉米雷斯現在是塔科馬社群學院的教授，他從大約30顆候選星開始，他根據它們的化學成分以及它們在銀河系中執行的速度和方向選擇了這些候選星。 在進一步分析這些特徵後，他將範圍縮小到一顆恆星，稱為HD 162826。 他說，它比太陽重約15%，而且略微偏藍。 儘管太陽及其同胞會靠得很近地形成，但今天HD 162826距離武仙座110光年。 用一架像樣的低倍雙筒望遠鏡就可以看到它，在武仙座的肩膀上方，離明亮的織女星不遠。

拉米雷斯說，他的搜尋部分是出於純粹的興趣，但他也想測試他和其他人將在從新的蓋亞衛星下載龐大的銀河系資料集時使用的策略。 該航天器旨在測量恆星的亮度和在天空中的精確位置，並將追蹤十億顆恆星，以製作有史以來最詳細的銀河系3D地圖。 其最新一批資料於4月釋出，包括超過13億顆恆星的精確測量資料。 這個數字比以前最好的資料集大一個數量級以上。

拉米雷斯認為，蓋亞將幫助天文學家找到大約一半太陽失散的同胞。 這樣做，這項調查可以告訴天文學家太陽的誕生環境以及此後它在銀河系中的路徑。 太陽今天以大約每秒125英里的速度繞銀河系中心執行，天文學家認為到目前為止它至少繞銀河系運行了20圈。

童年：行星的創造

在太陽及其兄弟姐妹點燃後不久，許多（如果不是全部）恆星周圍的塵埃顆粒開始聚結成行星。 至少在我們的太陽系中，行星的形成很快就發生了。 來自隕石的證據表明，一旦固體物質凝結，形成第一代小行星就用了不到一百萬年的時間。 主要受鋁26衰變的驅動，岩石塊加熱並分化成具有金屬核和矽酸鹽地幔的天體。 更大的岩石世界緊隨其後。 根據一項估計，火星可能在兩百萬年內形成。 地球是在太陽形成後的3800萬年至1.2億年之間形成的。

大約在那個時候，我們的恆星可能從一個兄弟姐妹那裡捕獲了一顆行星。 假想的第九行星，天文學家認為它潛伏在太陽系外緣的理論巨型天體，可能是一個堂兄弟世界，在我們的恆星誕生後1億年被太陽收養。 為了發生這種情況，第九行星必須在其原始恆星周圍以很遠的距離執行，大約是地球和太陽之間距離的100到500倍（100到500個天文單位）。 與此同時，這顆恆星必須以大約1500倍的距離從它的兄弟姐妹太陽旁邊擺動。 這種型別的恆星相遇在其他星團中相對頻繁地發生，因此天文學家知道這是可行的。 如果海王星大小的行星很常見，那麼許多恆星很可能在高度偏心的軌道上擁有第九行星型別的世界，這使得它們容易被其他恆星綁架。

2016年，瑞典隆德大學的亞歷山大·穆斯蒂爾和梅爾文·戴維斯以及法國波爾多大學的肖恩·雷蒙德計算出，太陽可能有幾次機會搶走第九行星。 太陽甚至有可能在不擾亂柯伊伯帶（太陽系邊緣的彗星和小行星環）的情況下搶走了這個世界。

進一步研究太陽系的外層天體將有助於理論家弄清楚第九行星的親子關係——如果傳聞中的行星確實存在的話。 而且，如果它確實存在，它可能不是唯一一個來自另一顆恆星的入侵者，它擾亂或加入了太陽的家族。 2015年，當時在羅切斯特大學的埃裡克·馬馬傑克和他的同事表明，在7萬年前——當現代人類從非洲擴散開來，而尼安德特人仍然生活著時——一顆名為舒爾茨星的恆星進入了奧爾特雲，奧爾特雲是圍繞著太陽的冰冷星子球狀殼，超出了冥王星的軌道。 根據馬德里康普頓斯大學的卡洛斯·德拉富恩特·馬科斯領導的2018年的一項研究，這顆恆星接近太陽不到一光年——這是一次擦肩而過，重塑了一些奧爾特雲天體的軌跡。 如今，這顆恆星距離我們近20光年。 天文學家知道，較小的外來天體有時也會來訪。 去年秋天，太陽短暫地迎來了第一個已知的來自外部的旅行者：星際小行星1I，或“奧陌陌”。 然而，這塊流浪的岩石移動得太快，無法永遠加入太陽的圈子。

當太陽形成行星時，它也在改變自身。 貝德爾花了多年時間試圖理清恆星的化學成分與其行星製造歷史之間的關係，她檢查了一組太陽雙胞胎恆星，這些恆星不一定來自同一個出生家族，但其化學成分與我們的太陽完全匹配。

貝德爾和她的同事發現，與其他恆星相比，太陽在一個關鍵方面略有不同：它的外層中岩石物質比與其相似的其他恆星少，其數量大致相當於幾個地球質量。 一種解釋是，這種物質“被鎖定在類地行星或氣體巨行星的核心中，現在從太陽外部消失了，”她說。 如果這是真的，那麼行星的形成過程改變了太陽，就像分娩改變了人類女性的身體一樣。

這一發現也可能為尋找系外行星提供一種新方法。 貝德爾說，如果天文學家發現其他類似太陽的恆星的塵埃物質丰度略低，他們或許可以推斷出這些恆星周圍也環繞著行星。

在末日

大約在五十億年後的某一天，太陽將耗盡其核心中的氫燃料。 它將從目前的普通大小和淡黃色變成紅巨星，並且它將吞噬最近的兩顆、三顆甚至四顆行星。 如果不在老化的太陽表面之內，地球也可能就在附近。 太陽的核心將開始冷卻，其核爐將慢慢熄滅。 隨著它進一步膨脹到太陽系中，它的引力場將無法 удерживать 其巨大的、擴散的外層。 它的 атмосфера 將會飄散。

“太陽將變成美麗的行星狀星雲，以白矮星作為其核心，”霍金斯說。 白矮星——一種小的、緻密的質量，包含太陽的殘餘物——會隨著時間的推移而冷卻，並且它將在銀河系中航行到無限的未來。

那麼太陽能開始一個新的家庭嗎？ 2016年，比利時魯汶大學的漢斯·範·溫克爾和米歇爾·希倫表明，類太陽恆星有可能在晚年製造一批新的行星。 他們使用智利阿塔卡瑪沙漠山頂上的甚大望遠鏡，發現一顆古老、垂死的恆星周圍有一個熱塵埃盤。 它類似於包裹著新生恆星的原行星盤。 這意味著一些恆星——甚至可能是太陽——可能會有第二次創造世界的機會。 然而，這種情況在雙星系統中更有可能發生，而我們的太陽是孤立的。

當太陽死亡時，剩下的東西最終將分散到星際介質中，在那裡它不太可能遇到足夠的其他物質來凝聚成一顆新的恆星，貝德爾說。 “說它會擴散出去併成為下一代的一部分，生命的迴圈等等，會更富詩意，”她說。 但是太陽可能會“在星系半外層區域安靜地死去”。 幾乎沒有什麼可以講述它所經歷的冒險生活的故事。

然而，與此同時，我們在這裡。 我們對太陽所瞭解的一切不僅是關於我們自己宇宙角落的真理，也是瞭解我們無法近距離研究的許多恆星的視窗。 “我過去曾聽人說，恆星總體上是一個已解決的問題，”貝德爾說。 “但我們仍然有很多不瞭解的地方。” 太陽正在緩慢但肯定地幫助改變這一點。