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火 流 星 海外文摘 Bolide |
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Yael Naze 文 Shea 译 |
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天文学家正在狂热地搜寻我们银河系中质量最大的恒星。  恒星生来就是不平等的。那些大质量的会占据统治地位；也只有它们才会使得气体发光形成漂亮的星云，挤压周围的物质，形成大量的重元素。有着数十倍于太阳的质量和数百万倍于太阳的光度，这些恒星还掌握着生杀大权。它们能摧毁脆弱的原行星盘，也能触发其他恒星的形成。在经历短暂但却光辉的一生之后，它们会以猛烈超新星爆发的形式死去。 因此，如果你想了解宇宙，你就要先了解这些大质量的天体。另外，由于质量最大的恒星也会对周围产生最大的影响，所以这一纪录的保持者也就成为了天文学中的“圣杯”。 天文学家还有研究这些最大质量恒星的其他理由。每一个恒星模型都需要被检验，还有什么能比极大质量恒星更理想的呢？事实上，质量最低的恒星有一个众所周知的下限：太阳质量的8%。在这以下，恒星的核心会缺少必须的压力和温度来维持核聚变反应。但理论对恒星质量的上限却语焉不详。目前，天文学家只能猜测存在这样一个极限。在这个限制之上，恒星核心处的核反应会强到可以摧毁整颗恒星。对这个数值的精确计算取决于对核物理和恒星物理的认识，但天文学家认为对于新近银河系中形成的恒星而言其最大质量应该在100～120个太阳质量左右。这个猜想是否正确还需要检验。 无秤而量 测量恒星的质量并非易事。毕竟，天文学家不能前往那颗恒星并且把它放到秤上去量一下，只能从远处来进行。那要怎么做呢？ 一个办法是了解恒星的光谱。当天文学家观测到了恒星的光谱之后，他们就能了解它的化学组成以及它光球层的状况。这一恒星大气的物理状态直接取决于它的温度和压强，这两者和恒星的引力相连，而恒星的引力又和它的半径和质量有关。
天文学家可以使用基本的物理定律来对恒星大气建立模型。对于给定的一组参数（温度、半径、质量），科学家就能计算出大气中每一种化学元素的状态，由此就能推测出光谱中可能出现的信号。通过比较理论模型和实际光谱，天文学家能就找到最佳的匹配，从而间接地获得恒星的参数，其中也包括它的质量。为了寻找质量最大的恒星，只需要对许多不同的恒星建立模型，直到发现其中质量最大的。  但是模型总是需要观测来校准的。搜寻质量最大的恒星——其实也是在检测理论模型的极限——意味着要对模型进行外推，这通常既不精确也不正确。因此对恒星光谱的建模往往只能给出一个近似的质量。 另一个办法是测量恒星的光度。对于成年（主序）恒星，基本的恒星物理学显示它们的光度和质量有着强相关性。例如，40个太阳质量的恒星其光度是20个太阳质量的5倍。由此估计质量就变得很平常了：在不同的滤光片下观测许多不同光度的恒星，测量它们的光度，然后计算它们的质量。但是简单一般都会带来“虚假”，而很多细节问题也会使得这一方法变得比乍看上去的要复杂得多。 例如，这一质光关系仅仅适用于光度，而直接测量得到的却是亮度。为了从亮度定出光度，天文学家必须校正距离、尘埃的红化以及观测中的短能幅采样——三个并不总能精确知道的参数。 天文学家还需要确保测量到的光度只来自一颗恒星。这对于一个聚集得非常紧密的星团经常会出现差错。一个有名的例子是大麦哲伦星云中的R136。由于它的高光度，它曾经一度被认为是一个质量高达1,000～2,500个太阳质量的“超级恒星”。但是在1991年，哈勃空间望远镜证实了早先高分辨率成像观测的结果，R136其实是一个由数百颗恒星组成的致密星团。当然，它也包含了一些质量非常大的恒星，但并没有以前想的那么大。  同样的误差也出现在了尺度较小的Pismis 24-1上，“哈勃”最近的观测显示它实际上包含了2颗恒星。常常被提及为最大质量恒星的手枪星，它的质量被认为是200个太阳质量，但也有可能会由于同样情况而减小一倍。 如果观测一颗恒星无法给出足够的信息，那么测量多颗可以得到可靠的统计结果。几十年来天文学家已经知道恒星的质量分布并不是随机的：大质量的恒星较少，小质量的较多。当用数学来表达时，这一分布被称为萨尔皮特定律，用来纪念已故美国康乃尔大学的天文学家埃德温·萨尔皮特（Edwin Salpeter）。在银河系中，对于每一颗质量在60～120个太阳质量之间的恒星，就有250颗1～2个太阳质量的恒星和5,600颗1/5～1/10个太阳质量的恒星与之对应。  天文学家可以观测一群恒星，通过质光关系（虽然并不一定精确）来估计恒星的质量，然后根据萨尔皮特定律来对其进行检验。为了了解罕见的大质量恒星，就需要一大群恒星——例如靠近银心的拥有大约100颗高温、明亮恒星（以及数千颗低温恒星）的拱形星团。统计分析清楚地显示它缺少极大质量的恒星：应该存在20～30颗质量超过130个太阳质量的恒星，但观测却并没有发现它们。这一结果暗示，质量超过130个太阳质量的恒星无法形成。 基于对其他几个星团类似的研究得出了相仿的上限：150个太阳质量。但是即使天文学家已经证明了这一极限的存在，但他们还没有获得一个精确的数值。从统计上，150个太阳质量做为130～170个太阳质量的平均值还是可以接受的。   解决方案 实际上，只有一个办法能精确测定恒星的质量：研究食分光双星。 大约有一半的恒星位于双星系统中，其中的两颗恒星会绕它们公共的引力中心转动。这些系统的光谱包含了每颗恒星的光谱。其中表征不同化学元素的谱线也具有两套。这些谱线的位置会随着时间变化。通过多普勒效应，这一变化体现出的是它们的轨道运动。朝向我们运动的恒星谱线会向蓝端移动，远离我们的恒星谱线则会向红端移动。在绕转半圈之后，这些运动就会反过来。 天文学家随之可以利用开普勒和牛顿定律来计算它们的速度，由此确定它们的轨道参数：恒星到公共质心的距离、轨道偏心率、轨道周期以及每颗恒星的质量。对于大质量恒星，所能得到的这些参数的精度主要取决于光谱的品质。现在可以达到的精度为每秒1千米。（在太阳系外行星的搜索中，对低质量恒星的超高分辨率光谱观测可以达到每秒1米。） 但是速度曲线本身并不能告诉我们恒星确切的距离和质量。这些参数都乘上了一个和双星轨道与我们视线间夹角有关的因子。双星的轨道面可以向任何一个方向倾斜，因此这一方法得到的质量仅仅是它们的下限。为了消除这一不确定性，天文学家必须要研究食双星。这些系统中的恒星会周期性地遮挡另一个，这意味着它们的轨道面与我们的视线几乎是完全重合的。  最有希望的目标是光谱型为O2或者O3的罕见恒星，它们是已知温度最高、光度最大的恒星。但是对这些天体的研究并不能完全实现我们的愿望。天文学家已经测量过的O3恒星的质量都在50～60个太阳质量，距离由星团统计得到的150个太阳质量的平均值还很远。 事实上，已知最大质量的恒星其实来自一个意料之外的方向：沃尔夫－拉叶星。原则上，这些天体对应的是演化到晚期的O型恒星，已经耗尽了氢，正在其核心燃烧氦和其他更重的元素。由于高温恒星会具有很强的星风（太阳风的放大版），它们会在其一生中抛射出数十个太阳质量的物质——可能相当于其初始质量的一半。由此，沃尔夫－拉叶星一般要比O型星的质量小得多。 沃尔夫－拉叶星的分类仅依赖于由于存在稠密外流所造成的特殊光谱形状。但是在过去的几年中，天文学家也发现了“假”沃尔夫－拉叶星。这些反常的天体仍然在其核心处燃烧氢：它们是超级O型恒星，而非演化到晚期的恒星。它们正好抛射出了比“通常”O型恒星多得多的大量物质，由此被当成了沃尔夫－拉叶星。  1996年，一个由Gregor Rauw领导的比利时小组研究了大质量的沃尔夫－拉叶星WR22，并且测得它的最小质量为72个太阳质量。Jörg Schweickhardt领导的另一个小组证实了这一惊人的结果，但他们给出的下限为55个太阳质量。这一结论目前仍然是可靠的——第二个小组虽然得到的光谱较多，但质量较差。 2004年同一个比利时小组揭示出了当时仍鲜为人知的双星WR20a的惊人性质。现在知道，这一系统包含了两个质量分别为82和83个太阳质量的恒星——质量上的不确定性只有7%。它们每一个都可以与先前的纪录相匹敌。   从那以后，得益于比利时、加拿大和阿根廷科学家的共同努力，深入展开了对最大质量恒星的搜寻。对于不同食双星得到的结果精度一般都要逊于WR20a，但都非常鼓舞人心：HD 15558包含了两颗分别为152±51和46±11个太阳质量的恒星；NGC 3603-A1拥有两颗分别为114±30和84±15个太阳质量的恒星；WR25则由两颗分别为75±7和27±3个太阳质量的恒星组成；R145中两颗子星的质量则分别为140±37和59±26个太阳质量。这些数值还需要被确认，但它们显示天文学家正在缓缓靠近100个太阳质量的关卡。 为了检验这些观测是否与目前的恒星模型相符还需要理论方面的工作。很有可能存在一颗质量比上面提高的数字更大的恒星，而它又不在一个双星系统中。在这种情况下，根本没有可能精确地确定它的质量，因此天文学家只能接受败北的结果。
甚至更大？ 100个太阳质量是最终的纪录吗？也许不是。在过去的十年中，一类新的恒星出现在了恒星天体物理学的前沿：星族Ⅲ。它们是宇宙中形成的第一代恒星，当时宇宙的年龄只有几亿年。由于它们形成于仅由氢和氦组成的气体云，计算机模拟强烈地显示，这些天体并不遵循萨尔皮特定律。它们可以具有非常大的质量——“非常”指的是数百甚至数千个太阳质量。其他的天文学家已经怀疑存在由暗物质驱动的恒星，它们的质量可以达到10,000个太阳质量（见“火流星”网站《揭秘“暗星”》）。
星族Ⅲ也许是遥远γ射线暴的源头。目前的望远镜还无法看到从而研究这些天体，但天文学家有信心下一代的设备，例如美国宇航局的詹姆斯·韦布空间望远镜、三十米望远镜和特大望远镜，将帮助证实或者否定这一大胆的假说。  Yael Naze是比利时国家科学研究基金/列日大学的天文学家，研究大质量恒星。在她的业余时间则是一个作家和公众演讲人，她试图和大众分享她对这些引人入胜天体以及其他宇宙奇景的热情。（本文已刊载于《中国国家天文》2010年第5期） |
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出自：Sky & Telescope
发布日期：2010-05 扩展阅读 |
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