發(fā)布科研成果，普及天文知識1小時前
一顆質(zhì)量超過16個太陽質(zhì)量的恒星，其特性與我們太陽相比會有一些極端。在它壯年階段，其半徑約為太陽的10倍，溫度超過3萬度，亮度是太陽的幾萬倍。但年齡不會超過一千萬年，而我們的太陽質(zhì)量是小質(zhì)量恒星，但它的壽命可以超過一百億年。目前在我們銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最大質(zhì)量恒星約為120-150個太陽質(zhì)量，而在宇宙的早期甚至能到1000個太陽質(zhì)量。
在宇宙早期，大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的電離光子電離了厚厚的中性氫，使得宇宙變得透明。當(dāng)它死亡時產(chǎn)生的強烈爆炸，它是如此之亮以至于在宇宙的任何地方都可以看到。目前為止，我們已經(jīng)看到了宇宙剛形成5億年之后的伽馬射線暴及其超強超新星爆發(fā)，這正是大質(zhì)量恒星死亡時發(fā)出的絢麗而明亮的煙花。
宇宙大爆炸（來源：NASA）
大質(zhì)量恒星是其所在星系主要的光源，這使得我們可以看到它們所在的遙遠(yuǎn)星系。大質(zhì)量恒星會產(chǎn)生強大的星風(fēng)，及其死亡時拋出的物質(zhì)不但會增加星際介質(zhì)的金屬豐度（天文學(xué)家們把除了氫和氦的所有物質(zhì)都稱之為“金屬物質(zhì)”，它們的數(shù)量占所有原子總數(shù)的比率稱為“金屬豐度”），而且還會促進(jìn)新的恒星形成。因此，從這方面說，大質(zhì)量恒星是一個星系的超強發(fā)動機。正是由于它們的存在，才使得整個星系充滿了活力，生生不息。
大質(zhì)量恒星的超新星爆炸
（來源：http://k.sina.com.cn/）
和所有的恒星一樣，大質(zhì)量恒星在誕生之后，就開始燃燒其核心區(qū)的氫，把氫聚變成氦。這是恒星一生中最為漫長的階段，這個過程占據(jù)了其生命的80%以上。當(dāng)核心區(qū)的氫燃燒盡之后，由于沒有能量支撐，核心會慢慢收縮，直到點燃氦核。但即使在其主序階段，整個星體已經(jīng)開始向外膨脹，并且星風(fēng)變得越來越強烈。對于超過20個太陽質(zhì)量的恒星，當(dāng)氦燃盡之后，隨后就是碳、氧、氖、鎂、硅依次耗盡，此時，恒星完全變成一個洋蔥結(jié)構(gòu)：外面是氫包層，下面依次是氦層，碳層直到鐵峰元素核。當(dāng)核心完全變?yōu)殍F核之后，由于此時沒有能量供給，最后整個星體塌縮，變成一個核塌縮超新星。
生命在于自轉(zhuǎn)
如果沒有自轉(zhuǎn)，所有大質(zhì)量恒星都會重復(fù)著上面的生活。但是自轉(zhuǎn)大大改變了它們千篇一律的生存狀態(tài)。
高速自轉(zhuǎn)的恒星和普通的恒星相比，有著自己完全不同的生活軌跡。首先，高速自轉(zhuǎn)能導(dǎo)致星體內(nèi)部很強的物質(zhì)交流（子午環(huán)流，或叫愛丁頓流。左圖是一個質(zhì)量為15個太陽，自轉(zhuǎn)速度為300km/s的星，其內(nèi)部環(huán)流情況）。這種物質(zhì)交流能改變恒星的內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)，極端情況下可以使得恒星內(nèi)部的核反應(yīng)物質(zhì)混合到表面，并且把外部的新鮮氫燃料帶到核心區(qū)。由于不斷被補充新鮮燃料，所以其壽命被明顯延長。其次，這種強烈的混合會打破恒星常規(guī)的洋蔥結(jié)構(gòu)，使得在其演化晚期不會有氫殼層燃燒發(fā)生，所以星體不會膨脹很多，一直會保持身材苗條。最后，由于燃燒更為充分，一生可以積累更多的核燃燒后的金屬物質(zhì)。
經(jīng)歷過高速自轉(zhuǎn)運動的氮超豐星
由此可知，高速自轉(zhuǎn)可以使大質(zhì)量恒星身材苗條，還能使其延年益壽，永葆青春。但我們銀河系中大質(zhì)量恒星都是新近形成的，有較高的初始金屬豐度，因此星風(fēng)都非常強，對高速自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量恒星的制動效果明顯，所以高速自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量恒星非常稀少。在我們銀河系，大質(zhì)量恒星自轉(zhuǎn)速度峰值在90km/s左右。這就像人類一樣，都知道堅持鍛煉能健康身體，但往往都不能堅持長久。那么如何知道哪些星經(jīng)歷過高速自轉(zhuǎn)階段呢？
氮超豐星是一種氮含量極高的星，一般要高于同類大質(zhì)量恒星氮含量的10倍以上。早在1970年，美國Walborn先生在他博士期間發(fā)現(xiàn)了一顆很奇怪的星HD
201345，它的氮的光譜吸收線異常強。隨后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些氮超豐星。天文學(xué)家們用了各種理論模型都不能解釋它為什么有這么多氮元素，只是根據(jù)它們的碳、氮、氧的比例，發(fā)現(xiàn)這種超豐的氮應(yīng)該是恒星內(nèi)部的核反應(yīng)產(chǎn)物。超豐的氮元素究竟從何而來？這個問題一直困擾著天文學(xué)家。
我國自主研制的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）是目前光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，它一次能觀測4000個天體目標(biāo)。截止2019年3月，LAMOST成為世界上首個發(fā)布光譜數(shù)超過千萬量級的光譜巡天望遠(yuǎn)鏡。利用LAMOST光譜數(shù)據(jù)，我們可以獲得恒星沿著視線方向的運動速度。歐洲航空局的蓋亞天文望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（Gaia）在2018年4月份發(fā)布了超過13億顆恒星的視差和自行數(shù)據(jù)，使得天文學(xué)家可以從中得到恒星距離和垂直于視線方向的運動速度。
圖為LAMOST望遠(yuǎn)鏡與星空
很幸運的是，我們也在LAMOST的千萬光譜中找到了兩顆高速自轉(zhuǎn)的氮超豐星，名字分別為：LS
I +61 28 和HDE
236672。緊接著收集了所有同時具有視向速度和Gaia天測數(shù)據(jù)的氮超豐星，然后對它們在銀河系內(nèi)的運動進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些氮超豐星源于雙星相互作用。
起初這類星作為伴星處在相互繞轉(zhuǎn)的雙星系統(tǒng)中。由于潮汐力作用或者物質(zhì)吸積，導(dǎo)致了它們自轉(zhuǎn)加速。當(dāng)主星作為超新星爆炸之后，它們被沿著軌道切向方甩出。由于吸積物質(zhì)，導(dǎo)致了自身高速自轉(zhuǎn)，高速自轉(zhuǎn)會大大增加赤道附近離心力和赤道半徑，從而大幅度降低赤道附近的有效重力加速度。它們自轉(zhuǎn)軸傾角的不同會造成我們看到的表面重力不同：如果它們的赤道正對著我們，我們就會看到高速自轉(zhuǎn)且表面重力小的星（見左下圖）；反之，如果它們的兩極對著我們，那么我們就會看到自轉(zhuǎn)慢且表面重力大的星（見右下圖）。
左圖為從赤道方向看高速自轉(zhuǎn)星；右圖為沿自轉(zhuǎn)軸方向看高速自轉(zhuǎn)星。（石雅婷繪）
大質(zhì)量恒星的最主要能源來自于通過碳氮氧循環(huán)的氫燃燒。在其中，碳氮氧作為催化劑存在，總量保持不變。而碳和氧在這個過程中被轉(zhuǎn)換成了氮，所以總體效果導(dǎo)致氮增加。高速自轉(zhuǎn)會導(dǎo)致的化學(xué)元素整體混合，這種混合會把表面上的氫燃料帶入核心，而把核心的核聚變過程產(chǎn)生的物質(zhì)帶到表面。從而導(dǎo)致了恒星表面上的氮超豐。
綜上，這種氮超豐的星，正是我們要找的正在經(jīng)歷高速自轉(zhuǎn)或者已經(jīng)經(jīng)歷過高速自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量恒星。
高速自轉(zhuǎn)與天文學(xué)前沿
伽馬射線暴和引力波事件是當(dāng)前兩個天文學(xué)前沿?zé)狳c。伽馬射線長暴被認(rèn)為是高速自轉(zhuǎn)大質(zhì)量恒星死亡時的產(chǎn)物。當(dāng)其死亡時，中心會塌縮成黑洞，而正是由于自身的高速自轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致在黑洞周圍形成一個高速繞黑洞旋轉(zhuǎn)的等離子體，進(jìn)而產(chǎn)生了強大的磁場。當(dāng)磁極對準(zhǔn)地球時，我們就會看到伽馬射線爆發(fā)了。這種伽馬射線長暴一般只持續(xù)幾十秒，但最遠(yuǎn)的伽馬射線暴能傳播130多億光年到達(dá)地球，它是我們研究宇宙黎明時代的強有力工具。
自從2015年9月14日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）發(fā)現(xiàn)了第一個引力波事件之后，天文學(xué)進(jìn)入了多信使天文學(xué)時代。隨后在2017年10月份，諾貝爾獎被頒發(fā)給在引力波探測方面作出杰出貢獻(xiàn)的三個科學(xué)家。到目前為止，大多數(shù)探測到的引力波事件是幾十個太陽質(zhì)量的雙黑洞并合形成的。這類雙黑洞一般認(rèn)為是由兩個高速繞轉(zhuǎn)的且高速自轉(zhuǎn)大質(zhì)量恒星形成的。
結(jié)束語
高速自轉(zhuǎn)是天文學(xué)家理解大質(zhì)量恒星本質(zhì)的一個重要因素。高速自轉(zhuǎn)的運動可以使得大質(zhì)量恒星身材苗條，還能使其延年益壽，永葆青春。另外，它也是天文學(xué)家理解當(dāng)前天文熱點伽馬射線長暴和引力波事件起源的關(guān)鍵。
聯(lián)系客服
