恒星体内的寄生怪胎

文章作者:小小 | 2016-05-09
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作为广袤宇宙中最著名的一颗恒星,我们常常将太阳当作比较其他恒星大小的标准。其实,绝大多数的恒星都很小,它们往往只有太阳质量的10%~20%。如果我们将它们称为小恒星的话,那么太阳就是中恒星,而大恒星的质量往往是太阳的几十倍甚至数百倍。

恒星家族的分布规律很有趣——小的多,大的少。如果按比例来估算的话,一颗大恒星的存在,往往意味着同时还有250多颗中恒星和5600颗小恒星。

当然,除了以质量为标准来衡量恒星大小外,我们还能按体积划分恒星家族。在它们之中,有些家伙仅凭超大的体积就跻身于大恒星之列,比如红超巨星和蓝超巨星等。不过,它们实在是浪得虚名,配不上大恒星的名份——它们其实都是虚胖子。

恒星家族的“巨无霸”

红超巨星(Red Supergiant)是恒星家族中一个很奇怪的成员:它们大多是濒临死亡的恒星,直径为太阳的几百倍到上千倍不等,是宇宙中体积最大的恒星。它们会发出较低温度的红色光芒,是恒星光谱分类的约克光谱分类中的第1级。

如果我们能把一颗红超巨星放在太阳系的中心,那么它将吞没很多行星,甚至可以吞没土星。科学家至今无法确切描述红超巨星的具体大小,因为它们的外侧是游离气体,没有明确的界限。

距离我们最近的是一颗名为参宿四(Betelgeuse)的红超巨星,它距离我们约500光年。因为较近的距离和巨大的体积,它成为除了太阳之外,人类首度能解析出其表面大小的恒星。

红超巨星体内的寄生胎

虽然绝大多数的红超巨星都是虚胖子,但是有些红超巨星却非常特别:它们不仅个子大,质量也大,甚至已远远超过了合理的质量上限。原来在它们体内,还有另一颗恒星!

能在恒星的肚子里发现另一颗恒星,其实并不奇怪。早在1977年,美国天文学家基普·S·索恩(Kip Stephen Thorne)和波兰天文学家安娜·祖特阔夫(Anna Zytkow)就提出假设:某些红巨星或红超巨星的体内,可能存在中子星,而这种独特的天体也被人们称为索恩-祖特阔夫天体。此后,科学家相继发现了两个疑似天体。2014年,天文学家在研究小麦哲伦星系的红超巨星时,发现了第3个候选者——一颗名为HV 2112的红超巨星,在它的内部寄生着一颗中子星。

中子星异常致密,是人类已知除黑洞外密度最大的星体,它的密度相当于水的一百万亿倍。1cm3的中子星质量可以达到0.8~20亿吨,半径为1万米的中子星的质量几乎与太阳相当。如果将地球按照这样的密度进行压缩,那么地球的直径将只有243米。

而红超巨星的外部都是些气体,透过这层气体,我们便可以观察到其内部的物质。当然,科学家并非是通过肉眼或光学望远镜来观察的,而是借助检测光谱波段来研究的。这种方法可以揭示很多恒星的内在秘密,告诉人们那里有什么化学元素。

科学家观测HV 2112的光谱时发现,它包含着锂、钼、铷等重金属的谱线,且丰度异常高,而这些化学元素则是索恩-祖特阔夫天体特有的。由于红超巨星的温度很低,而中子星的温度极高,因此红超巨星的一些气体会落入中子星,从而引发新的核融合过程。正因为如此,我们才能从光谱中发现上述重金属的谱线。而这些光谱显示的正是红超巨星与中子星复合的演化,它可以让科学家更好地理解恒星内部的化学演化过程,告诉我们这些化学元素是怎样生成的。原文地址:http://www.ufo-1.cn/article/201605/982.html

一个是密度极高的中子星,一个是庞大无比的气体球红超巨星,它们也算是宇宙中的最佳寄生搭档了。

一对搭档的前世今生

索恩-祖特阔夫天体就像是人类社会的寄生胎那样,一个寄生在另一个体内。而中子星和红超巨星的关系也表明,它们曾是一对兄弟,只是由于某种原因,一个发育完好,而令一个发育不良,结果就发展成为如今这般状况。

很久很久以前,它俩曾是双星。我们所认为的双星,是靠在一起的两颗恒星,它们相互环绕着对方运行。有人说它们是一对夫妻,也有人说它们是兄弟或父子,不同的说法取决于它们之间不同的关系。而这种关系是由各种非常复杂的因素所决定的,比如个头大小、类型区别、距离远近等等,这也让它们之间演绎出了各种各样的奇特关系。而与一般双星不同的是,这对索恩-祖特阔夫天体的前身是一对超大的双星。

依照宇宙的生存规律,超大恒星是没有什么优势的,它们的寿命一般都很短。在恒星诞生之初,超大恒星拥有极为丰富的质量,而质量意味着能量,这正是它们不断猛烈燃烧的本钱。而恒星越大,演化得也就越快。它们具有极高的温度,发出极其明亮的光芒,肆无忌惮地挥霍着能量。当氢元素燃烧完之后,接近中心的氦元素也会被点燃,但是星体的体积却会飞速膨胀,膨胀到一定程度时,它就成为了红超巨星。如果这些反应没有停止,那么最终这个超大恒星就会发生超新星爆发(这也是宇宙中最壮观的景象),抛掉“外壳”之后,成为一颗中子星。

而红超巨星HV 2112,以前也是一颗大质量恒星,但它与变成中子星的这颗恒星相比,质量要小一些。由于能量反应小,它的演化速度就慢。当恒星的辐射和引力不再平衡时,它的“外壳”就会开始膨胀,体积将会扩张上亿倍,最终变成一个巨大的气体球——红超巨星。同时,由于它的“地盘”不断扩大,最终会将昔日的同伴吞噬。不过,现阶段的红超巨星其实已经进入了演化末期,正逐步走向生命的尽头。

由此可见,两颗恒星在诞生之时的质量区别,导致了两者间不同的演化速度和反应程度,并最终形成了索恩-祖特阔夫天体。

红巨星:当一颗恒星度过它的青壮年期——主序星阶段,步入老年期时,它将首先变为一颗红巨星(Red Giant Star)。红巨星是恒星所经历的一个较短的不稳定阶段,处于该阶段的恒星表面温度相对很低,但极为明亮。它之所以被称为红巨星,是因为此时恒星的颜色看起来是红色的,且体积又很巨大。

蓝超巨星:它是恒星光谱分类中的第1级,光谱型为O或B型,属于超巨星中的一种。它们的温度与亮度都非常高,表面温度为10000℃~50000℃,质量至少是太阳的10倍。

合并或者分离

虽然红超巨星HV 2112是个气体球,但在它的中心还存在着一个硬核。我们可以把这个硬核当作另一个天体,而它与那颗中子星也是双星关系。既然是双星,彼此就要相互围绕着对方运转,只不过这个双星是在一大团气体中活动。它俩之间需要一种艺术的平衡,以保证和谐相处。但命运真会如此吗?

对于红超巨星HV 2112来说,这颗在它体内的中子星有可能会借助它的能量越长越大,并导致HV 2112的毁灭,这对它来说可不是什么好消息。

中子星本就是耗尽了氢元素的恒星,氢元素对它来说就是食物,来者不拒。当它进入到红超巨星体内时,会发现仍未燃烧的、极其丰富的氢元素。接下来的剧情或许会变得很简单——中子星疯狂地吸积氢元素,而红超巨星会因此萎缩,变成一个扁平的、螺旋状的吸积盘,环绕在中子星的周围。此后,中子星仍会不断吸取其周围的物质,并最终将这个可怜的气体球完全吞噬。

除此之外,还有一种可能的命运。如果红超巨星的核心和中子星距离较近的话,双方的引力会让轨道周期衰减,从而沿螺旋形轨道向彼此靠近。当它俩过于接近时,就会碰撞并发生超新星爆发,演化为一颗更大的中子星,而这颗全新的中子星同样会吞噬红超巨星。

不过,故事的发展还会有第三种可能。之前我们提到,红超巨星是濒临死亡的恒星,但它仍在膨胀。当它膨胀到一定程度时,就会发生超新星爆发,HV 2112也不例外。爆发之后,红超巨星的命运就是成为一颗中子星!如此一来,它将会和它体内的那颗中子星并肩站立,成为兄弟般的双星。也许这样的结局是最完美的——它们的前世是双星,但由于彼此不同的演化过程,在途中分道扬镳。然而经过超新星爆发后,它俩都成为了坚硬致密的中子星,再度变成了双星。

究竟在宇宙这位编剧大师的笔下,红超巨星HV 2112和那颗中子星的命运将会如何,我们不得而知。但在138亿年的时间里,的确已经发生了许多奇妙有趣的故事,宇宙会为它们这段旅程写下令人欣喜的大结局吗?

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