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環球大探索:恆星體內的寄生怪胎?

作為廣袤宇宙中最著名的一顆恆星,我們常常將太陽當作比較其他恆星大小的標準。其實,絕大多數的恆星都很小,它們往往只有太陽質量的10%~20%。如果我們將它們稱為小恆星的話,那麼太陽就是中恆星,而大恆星的質量往往是太陽的幾十倍甚至數百倍。


恆星家族的分布規律很有趣——小的多,大的少。如果按比例來估算的話,一顆大恆星的存在,往往意味著同時還有250多顆中恆星和5600顆小恆星。


當然,除了以質量為標準來衡量恆星大小外,我們還能按體積劃分恆星家族。在它們之中,有些傢伙僅憑超大的體積就躋身於大恆星之列,比如紅超巨星和藍超巨星等。不過,它們實在是浪得虛名,配不上大恆星的名份——它們其實都是虛胖子。

環球大探索:恆星體內的寄生怪胎?



恆星家族的「巨無霸」


紅超巨星(Red Supergiant)是恆星家族中一個很奇怪的成員:它們大多是瀕臨死亡的恆星,直徑為太陽的幾百倍到上千倍不等,是宇宙中體積最大的恆星。它們會發出較低溫度的紅色光芒,是恆星光譜分類的約克光譜分類中的第1級。

如果我們能把一顆紅超巨星放在太陽系的中心,那麼它將吞沒很多行星,甚至可以吞沒土星。科學家至今無法確切描述紅超巨星的具體大小,因為它們的外側是游離氣體,沒有明確的界限。


距離我們最近的是一顆名為參宿四(Betelgeuse)的紅超巨星,它距離我們約500光年。因為較近的距離和巨大的體積,它成為除了太陽之外,人類首度能解析出其表面大小的恆星。

環球大探索:恆星體內的寄生怪胎?



紅超巨星體內的寄生胎

雖然絕大多數的紅超巨星都是虛胖子,但是有些紅超巨星卻非常特別:它們不僅個子大,質量也大,甚至已遠遠超過了合理的質量上限。原來在它們體內,還有另一顆恆星!


能在恆星的肚子里發現另一顆恆星,其實並不奇怪。早在1977年,美國天文學家基普·S·索恩(Kip Stephen Thorne)和波蘭天文學家安娜·祖特闊夫(Anna Zytkow)就提出假設:某些紅巨星或紅超巨星的體內,可能存在中子星,而這種獨特的天體也被人們稱為索恩-祖特闊夫天體。此後,科學家相繼發現了兩個疑似天體。2014年,天文學家在研究小麥哲倫星系的紅超巨星時,發現了第3個候選者——一顆名為HV 2112的紅超巨星,在它的內部寄生著一顆中子星。


中子星異常緻密,是人類已知除黑洞外密度最大的星體,它的密度相當於水的一百萬億倍。1cm3的中子星質量可以達到0.8~20億噸,半徑為1萬米的中子星的質量幾乎與太陽相當。如果將地球按照這樣的密度進行壓縮,那麼地球的直徑將只有243米。


而紅超巨星的外部都是些氣體,透過這層氣體,我們便可以觀察到其內部的物質。當然,科學家並非是通過肉眼或光學望遠鏡來觀察的,而是藉助檢測光譜波段來研究的。這種方法可以揭示很多恆星的內在秘密,告訴人們那裡有什麼化學元素。


科學家觀測HV 2112的光譜時發現,它包含著鋰、鉬、銣等重金屬的譜線,且丰度異常高,而這些化學元素則是索恩-祖特闊夫天體特有的。由於紅超巨星的溫度很低,而中子星的溫度極高,因此紅超巨星的一些氣體會落入中子星,從而引發新的核融合過程。正因為如此,我們才能從光譜中發現上述重金屬的譜線。而這些光譜顯示的正是紅超巨星與中子星複合的演化,它可以讓科學家更好地理解恆星內部的化學演化過程,告訴我們這些化學元素是怎樣生成的。

一個是密度極高的中子星,一個是龐大無比的氣體球紅超巨星,它們也算是宇宙中的最佳寄生搭檔了。

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一對搭檔的前世今生

索恩-祖特闊夫天體就像是人類社會的寄生胎那樣,一個寄生在另一個體內。而中子星和紅超巨星的關係也表明,它們曾是一對兄弟,只是由於某種原因,一個發育完好,而令一個發育不良,結果就發展成為如今這般狀況。


很久很久以前,它倆曾是雙星。我們所認為的雙星,是靠在一起的兩顆恆星,它們相互環繞著對方運行。有人說它們是一對夫妻,也有人說它們是兄弟或父子,不同的說法取決於它們之間不同的關係。而這種關係是由各種非常複雜的因素所決定的,比如個頭大小、類型區別、距離遠近等等,這也讓它們之間演繹出了各種各樣的奇特關係。而與一般雙星不同的是,這對索恩-祖特闊夫天體的前身是一對超大的雙星。


依照宇宙的生存規律,超大恆星是沒有什麼優勢的,它們的壽命一般都很短。在恆星誕生之初,超大恆星擁有極為豐富的質量,而質量意味著能量,這正是它們不斷猛烈燃燒的本錢。而恆星越大,演化得也就越快。它們具有極高的溫度,發出極其明亮的光芒,肆無忌憚地揮霍著能量。當氫元素燃燒完之後,接近中心的氦元素也會被點燃,但是星體的體積卻會飛速膨脹,膨脹到一定程度時,它就成為了紅超巨星。如果這些反應沒有停止,那麼最終這個超大恆星就會發生超新星爆發(這也是宇宙中最壯觀的景象),拋掉「外殼」之後,成為一顆中子星。


而紅超巨星HV 2112,以前也是一顆大質量恆星,但它與變成中子星的這顆恆星相比,質量要小一些。由於能量反應小,它的演化速度就慢。當恆星的輻射和引力不再平衡時,它的「外殼」就會開始膨脹,體積將會擴張上億倍,最終變成一個巨大的氣體球——紅超巨星。同時,由於它的「地盤」不斷擴大,最終會將昔日的同伴吞噬。不過,現階段的紅超巨星其實已經進入了演化末期,正逐步走向生命的盡頭。


由此可見,兩顆恆星在誕生之時的質量區別,導致了兩者間不同的演化速度和反應程度,並最終形成了索恩-祖特闊夫天體。


紅巨星:當一顆恆星度過它的青壯年期——主序星階段,步入老年期時,它將首先變為一顆紅巨星(Red Giant Star)。紅巨星是恆星所經歷的一個較短的不穩定階段,處於該階段的恆星表面溫度相對很低,但極為明亮。它之所以被稱為紅巨星,是因為此時恆星的顏色看起來是紅色的,且體積又很巨大。


藍超巨星:它是恆星光譜分類中的第1級,光譜型為O或B型,屬於超巨星中的一種。它們的溫度與亮度都非常高,表面溫度為10000℃~50000℃,質量至少是太陽的10倍。


合并或者分離


雖然紅超巨星HV 2112是個氣體球,但在它的中心還存在著一個硬核。我們可以把這個硬核當作另一個天體,而它與那顆中子星也是雙星關係。既然是雙星,彼此就要相互圍繞著對方運轉,只不過這個雙星是在一大團氣體中活動。它倆之間需要一種藝術的平衡,以保證和諧相處。但命運真會如此嗎?


對於紅超巨星HV 2112來說,這顆在它體內的中子星有可能會藉助它的能量越長越大,並導致HV 2112的毀滅,這對它來說可不是什麼好消息。

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中子星本就是耗盡了氫元素的恆星,氫元素對它來說就是食物,來者不拒。當它進入到紅超巨星體內時,會發現仍未燃燒的、極其豐富的氫元素。接下來的劇情或許會變得很簡單——中子星瘋狂地吸積氫元素,而紅超巨星會因此萎縮,變成一個扁平的、螺旋狀的吸積盤,環繞在中子星的周圍。此後,中子星仍會不斷吸取其周圍的物質,並最終將這個可憐的氣體球完全吞噬。


除此之外,還有一種可能的命運。如果紅超巨星的核心和中子星距離較近的話,雙方的引力會讓軌道周期衰減,從而沿螺旋形軌道向彼此靠近。當它倆過於接近時,就會碰撞並發生超新星爆發,演化為一顆更大的中子星,而這顆全新的中子星同樣會吞噬紅超巨星。


不過,故事的發展還會有第三種可能。之前我們提到,紅超巨星是瀕臨死亡的恆星,但它仍在膨脹。當它膨脹到一定程度時,就會發生超新星爆發,HV 2112也不例外。爆發之後,紅超巨星的命運就是成為一顆中子星!如此一來,它將會和它體內的那顆中子星並肩站立,成為兄弟般的雙星。也許這樣的結局是最完美的——它們的前世是雙星,但由於彼此不同的演化過程,在途中分道揚鑣。然而經過超新星爆發後,它倆都成為了堅硬緻密的中子星,再度變成了雙星。


究竟在宇宙這位編劇大師的筆下,紅超巨星HV 2112和那顆中子星的命運將會如何,我們不得而知。但在138億年的時間裡,的確已經發生了許多奇妙有趣的故事,宇宙會為它們這段旅程寫下令人欣喜的大結局嗎?

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