是亦彼也,彼亦是也,彼亦一是非,此亦一是非。——《莊子•內篇》
《莊子•內篇》中的這段話正是描述了事物都具有兩面性,它們相輔相成,相互作用!而在物理學中,一些粒子也喜歡成雙成對的出現,例如正反物質,以及我們預言的超對稱粒子;在巨集觀世界中的雙星系統、雙星脈衝星。因此成對出現的物體在宇宙中是十分普遍。
現在想象一下我們的宇宙中有什麼,從最小的塵埃顆粒到最大的超大品質黑洞以及介於兩者之間的一切物體。如果把你能想象出來的任何物體都翻一倍。這裡說的不是讓物體的大小,品質,或者其他物理性質翻一倍。而是讓一個物體和與自己相同的物體(孿生兄弟)相互作用時會發生什麼?
兩顆小行星相遇會發生什麼?我們先從品質較小的物體開始,再到品質大的物體。在太空中最小的尺度,應該是小行星和流星體,那麼如果我們讓一個小行星和另一個自己相遇會發生什麼?
對於小行星這樣非常小的品質和引力源來說,它們相遇的情形是最簡單的:兩塊岩石相互接觸並穩定的保持在一起。萬有引力和所有其他的力不足以對兩顆小行星產生進一步的影響。這就是為什麼當我們仔細觀察像糸川[4]這樣的小行星時,我們會發現它們只是由成堆的碎石和灰塵組成,結構十分鬆散。
如果引力品質足夠大,那麼潮汐力(主要是因為作用在近端的引力比遠端的引力大得多)將會是小行星本身發生扭曲和變形。隨著時間的推移,兩個品質將螺旋向對方靠近併合並,在足夠大得引力作用下創造出一個更大的小行星。這種小行星的合併很可能就是矮行星穀神星的形成過程。
行星相互作用會發生什麼?那更大的天體呢,比如岩石行星?事實證明,兩顆岩石行星的合併與兩顆大型小行星的情況並沒有太大的不同。一顆岩石行星有足夠的引力使自己處於流體靜力學平衡狀態,在與新物件合併在一起,同樣在引力的作用下也會達到一個新的流體靜力學平衡。
兩個行星在完全融合之前會發生巨大的地震和火山爆發,最後形成一個新的岩石世界,其品質相當於兩個前行星的總和。
如果我們把兩個氣態巨行星合併,情況就會有所不同。而且這取決於我們合併的是哪兩顆氣態行星。
如果合併的是兩個類似天王星的氣態行星,我們會得到一顆品質是天王星兩倍的行星,而且體積明顯比天王星大。但是如果合併的是兩個類似木星的氣態行星,我們會得到一個品質是木星兩倍的行星,但體積不會比木星的體積大!因為木星更大的品質,會將物質壓縮到更小的空間中。
如果我們在一個給定的空間中有兩倍的品質,限制空間中任何部分的引力也會是兩倍。如果我們把越來越多的品質放入一個給定的空間中,物體的大小實際上就會開始縮小!
如果我們合併了兩顆品質都是木星35倍的行星(每一顆都可能是一顆褐矮星),當合並完成時,我們將會得到足夠的品質在目標核心中點燃氫聚變,合成的氣體巨行星將會變為一顆恆星!
我們得到的恆星其實是一顆紅矮星,這顆M級恆星是宇宙中壽命最長的恆星,其最大壽命超過100萬億年,約為目前宇宙年齡的1萬倍。品質越大、顏色越藍的恆星消耗燃料的速度就越快,而品質較小、溫度較低的紅色恆星耗盡燃料則需要更長的時間。在大約100億年之後,所有的O類、B類和A類恆星以及較亮的F類恆星都會燃燒殆盡。
恆星合併會發生什麼?我們知道球狀星團的年齡一般都不叫古老,年齡最大的已經有130億年左右,和宇宙的年齡相當。像下圖中的梅西耶56,我們在星團中發現了不應該存在的藍色恆星!因為藍色恆星的壽命大約只有幾十萬到幾百萬年之間。
這是怎麼回事呢?就像行星合併一樣,恆星也可以合併!我們在星團中看到的藍色恆星被稱為藍離散星。當較小的、品質較低的恆星相互作用並融合時,就會形成藍離散星。隨著時間的推移,恆星的核心變得更大,燃燒得更熱,因此恆星的溫度升高,顏色變藍。
事實上,我們可以把任何兩顆品質相等的恆星合併在一起,形成一顆更熱、更藍、壽命更短的恆星。
但並不是所有大品質天體發生合併都會形成恆星。恆星在其一生中耗盡燃料,最終都會以壯觀的方式死亡!
白矮星、中子星和黑洞合併類太陽恆星,或品質達到太陽品質4倍的恆星,最終會在紅巨星階段後吹離外層的氫殼,形成行星狀星雲,並且將氫、氦和少量較重的元素再迴圈回宇宙中。
恆星的內層也會收縮,形成一顆白矮星:一顆與太陽品質相當的天體,但體積只有地球的大小!
雖然白矮星的原子非常密集,但還是溫度不足,無法進一步點燃核聚變,它們自身並沒有足夠的引力將其壓縮到更小的尺寸或更緻密的物質狀態。
如果我們把兩個白矮星放在一起,讓其發生相互作用,會發生什麼?
白矮星的軌道由於引力輻射而緩慢衰減。在幾百萬年的時間裡,兩顆白矮星將會發生合併。增加的品質將會提供足夠的額外引力來點燃白矮星的核聚變,從而產生Ia型超新星爆發,將兩顆白矮星完全摧毀,不會留下任何東西!
另一方面,更多的大品質恆星在II型超新星爆發中結束生命,要麼在核心留下一顆中子星(品質是太陽的2到3倍,但直徑只有幾公里),要麼留下一個黑洞!
最後,當兩個黑洞合併時會發生什麼?不管黑洞有多小或多大,所有的黑洞周圍都有吸積盤。
當任何物質與黑洞合併時,其中大部分物質會在黑洞的吸積盤中被電離、加速,並在黑洞中心的雙極噴流中釋放出來,形成物質噴流。如果是一個小黑洞,就會創造了所謂的微類星體,一個更大的黑洞會創造出一個活躍的星系核心,而最大的黑洞可以創造一個類星體!
這就是宇宙中的天體從小品質的小行星到大品質黑洞合併後會發生什麼?