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宇宙中最古怪的恒星

2016-1-8 14:06:44天之文 【字体:

    在浩渺无垠的宇宙,无论多么离奇的思想实验——或许是在不眠的深夜构想出来的,也或许只是想看看究竟会有多么古怪的恒星——都可以存在。想象有一颗大质量恒星,在其生命的最后阶段,膨胀成为红巨星。在它的核心有一颗极小的中子星——一个更大质量恒星的残骸。无人知晓这样的恒星究竟是怎么形成的,又能存活多久;它的聚变反应可能不同寻常,却在物理上是可行的。宇宙中可能真的存在这样的神秘恒星,它们被称为索恩-祖特阔夫天体(Thorne—Zytkow object,简称TZO)。但是,事实真是如此吗?令人惊奇的是,就在这类天体被提出40年之后,天文学家认为他们可能真的找到了这样一颗恒星。它可能会颠覆我们对恒星演化的认识。

 

形成理论

 

TZO天体得名于Kip Thorne和Anna Zytkow。1977年,这两位美国加州理工学院的天文学家经过仔细计算,为这种奇怪的系统建立起理论模型。他们提出,此类恒星具有全新的内部物理过程。早在20世纪30年代,中子星的概念被提出来时,科学家们就已经研究过星核是中子星的想法。但他们的工作缺乏细致的分析,也没有定论。

 

TZO的形成过程是这样的:出于现在仍不清楚的一些原因,我们看到的大多数大质量恒星都生活在双星系统中。它们的质量是太阳质量的好几倍(至少八倍大,虽然我们也见到过数百倍太阳质量的恒星),消耗自身燃料的速度也比太阳快。在宇宙中,质量最大的恒星只需几百万年就能耗尽自身的燃料,而类似太阳的恒星则要花几十亿年。在两个恒星成员质量不相等的双星系统中,质量较大的成员会赶在另一个成员之前用完自身的燃料,并且死去。这个大质量恒星发生猛烈的超新星爆发,亮度堪比整个星系。爆炸结束后,这个未来的TZO系统已经变得古怪离奇——质量较小的那颗普通恒星现在与一个快速旋转的中子星为伴。中子星的半径只有10公里,完全由紧密排列的中子构成,是检验量子力学极端情况的天然实验室。

 

类似这样由中子星和普通恒星组成的系统,天文学家们已经观测到许多个了。两个成员彼此绕转时,普通恒星的气体流向中子星,落到其外壳层上,引起强烈的X射线耀发。这些耀斑比普通恒星的X射线辐射还要明亮数百万倍。实际上,银河系最明亮的那些X射线源里就有它们。

 

但是,这样的恒星系统也引出了一个问题:在中子星和普通恒星彼此绕转组成的系统中,如果两个成员的绕转轨道不稳定,那么这个系统最终会演变成什么样子呢?有多种原因可以导致这样的情况发生,例如红巨星膨胀的气体壳层拉扯中子星,使它的转速降低,并旋转落入红巨星;又或者,首先死亡的那颗恒星发生超新星爆发。在多数情况下,潮汐力会把中子星“踢出“系统。但在另一些情况下,这个双星系统也可能演化成这样的最终状态:中子星与普通恒星越转越近;与此同时,普通恒星也临近其生命的终点,演化成为红巨星。最后,两颗恒星发生并合,红巨星吞噬了中子星,一个TZO天体由此诞生。

 

宇宙中最古怪的恒星

左图:索恩-祖特阔夫天体 (Thorne—Zytkow object,简称TZO)最初只是一个普通的双星系统。其中一个成员(黄色)的质量接近太阳质量,另一个成员(蓝色)的质量则要大得多,也很炽热。质量 较大的那个成员很快便耗尽自身的燃料,爆炸成为超新星。中图:超新星爆发过后,大质量恒星只留下个头极小的中子星。类似太阳质量的恒星燃烧氢燃料的速度要 慢得多,膨胀成为一颗红巨星。从某一时刻起,两颗恒星的绕转轨道不再稳定,它们开始越转越近。右图:两个成员的绕转轨道越来越小,直到发生并合。并合的那 一刻应该是可观测的,但天文学家却不清楚如何观测。多数情况下,这个新形成的TZO天体看上去和一个或许明亮的普通红巨星相差无几。(图中的恒星未按比例 画出。图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)

 

像银河系这般大小的星系,拥有数千亿颗恒星,类似的恒星并合事件应该很常见。事实上,科学家已经提出,在所有的红巨星中,可能有1%实际上是隐藏着的TZO天体。“中子星和普通恒星的并合比较常见,”荷兰阿姆斯特丹大学专门研究恒星演化的天文学家Selma de Mink证实说。“问题是,那样的并合是什么样子的?对我来说,这一点让我觉得很兴奋——类似的事件时有发生,我们却一无所知。”她解释说,并合发生时,应该会有一些短暂的、可以被观测到的事件——也许是X射线耀发,或者是可见光波段的新星爆发。理论学家正在研究各种模型,但是,对于在TZO诞生之际,我们究竟能看到什么?科学家们仍然莫衷一是。

 

恒星制造

 

TZO天体之所以重要是因为它们能够告诉天文学家宇宙中的一些奇异元素从何而来。氢、氦、还有少量的锂是在宇宙大爆炸后迅速生成的。然而,除了它们以外,宇宙中所有的重元素都不是在宇宙早期生成的,而是来自于恒星的核心。我们在日常生活中熟知的那些元素——仅举几例,碳、氧和铁——都是在恒星内部、通过我们已经充分理解的常规物理过程生成的。但是,一些特别重的元素——例如钼、钇、钌、铷的生成过程,我们就知之甚少了。“这些元素不为人熟知,但我们仍想知道它们到底是从哪里来的,”美国亚利桑那州洛威尔天文台(Lowell Observatory)研究大质量恒星演化的天文学家Philip Massey幽默地说。

 

理论认为,这些元素可能是TZO天体产生的。深藏在红巨星内部的中子星有一种不同寻常的产能方法:与其它恒星不同,TZO的核燃烧不是由正常的核聚变反应主导的,而主要是极炽热的中子星边缘接触红巨星膨胀的气体壳层所引发的热核反应。这些热核反应不仅为恒星提供能量,还产生了前面提到的那些重元素。促使恒星外壳层中的热气体循环往复的对流过程把这些新元素从恒星内部运输到恒星表面。眼尖的观测者如果使用合适的望远镜,就能侦测到它们。

 

搜寻TZO天体

 

不过,追踪这些神秘天体并非易事。“对于外行者来说,TZO天体看上去与温度极低、又非常明亮的红巨星十分相像,”现在英国剑桥大学天文研究所工作的Zytkow解释说。这意味着,它们与巡天项目观测到的几千颗明亮的普通巨星很难区分。“尽管如此,它们还是要比类似猎户座参宿四这样的巨星颜色更红些,也更加明亮些,”她说。(参宿四是观星者们熟知的著名红巨星。)

 

唯一能把TZO天体与普通的亮红巨星区别开的方法是察看高分辨率的光谱——在天文学家眼中,光谱就是恒星的指纹——找寻TZO天体富含的那些特殊元素产生的特征谱线。由于恒星的其它元素和分子会产生大量复杂的谱线特征,少说也有几千个,这使得区分工作非常复杂。“就像大海捞针一样,”de Mink说。

 

尽管如此,几个天文学家却认为他们也许已经找到了第一个TZO天体。自Zytkow最先研究TZO天体的形成机制以来,已经过去了近40年时间,几番搜寻都无果而终。然而,当Zytkow看到有人研究具有异常行为的亮红巨星时,她还是被这个新研究吸引住了。美国波尔得市科罗拉多大学的天文学家Emily Levesque与Massey一起引领了这项研究。前者从2004年的本科生暑期实习开始,就和后者一直搜寻红巨星。两年后,他们在大、小麦哲伦云(银河系的卫星星系)里发现了几颗温度异常低且光度有变化的红巨星。这项研究最终引起了Zytkow的注意,因此,她问他们是否考虑了这些红巨星是TZO天体的可能性。

 

有可能发现第一个TZO天体的确让人兴奋,但是,对红巨星样本中的候选者进行证认需要前所未有的高分辨率光谱。Levesque与她的前任导师Massey,还有另一位合作者——智利拉塞雷纳卡耐基天文台的Nidia Morrell用美国新墨西哥州阿帕奇山顶(Apache point)天文台的3.5米口径望远镜和智利拉斯坎帕纳斯天文台(Las Campanas Observatory)的6.5米口径望远镜观测银河系与大、小麦哲伦云中的数十个红巨星样本。他们使用世界上功能最强大的光谱仪为每一颗恒星拍摄了光谱,然后小心谨慎地证认各种发射谱线,测算恒星的相对元素丰度。

宇宙中最古怪的恒星

Emily Levesque与同事使用智利拉斯坎帕纳斯天文台6.5米口径的Magellan II Clay望远镜观测了HV 2112的光谱,揭开了它的真实面目——一个索恩-祖特阔夫天体。(图片来源:LAS CAMPANAS OBSERVATORY / CARNEGIE INSTITUTE OF WASHINGTON)

 

 

“粗略地浏览并不能立刻知晓我们是否找到了TZO天体,”Levesque回忆说,“但有一颗恒星引起了我们的注意。”这颗恒星位于小麦哲伦云,编号是HV 2112。它的光谱带有特别明亮的氢发射线。原始观测数据一出来,天文学家们就注意到了这一点。实际上,它是如此地不同寻常,Morrell第一次看到它时,便开玩笑地说“我不知道它是什么,但我喜欢它!”

宇宙中最古怪的恒星

乍一看,HV 2112就像一颗普通的——也许明亮的——红巨星。它位于小麦哲伦云的一个角上,清楚地呈现在斯必泽红外望远镜拍摄的图片里。(图片来源:SPITZER / JPL / NASA / CENTER DE DONNEES ASTRONOMIQUES DE STRASBOURG)

 

事后证明,HV 2112惹人关注确有原因——它的锂、钼和铷的含量异常地高,这正是理论预言的TZO天体的特征。虽然,有各种原因可以导致恒星中某种重要元素的含量反常地高,但这是天文学家第一次看到同一颗恒星含有所有的重要元素;2014年夏天,研究团队公布了他们的证认结果——HV 2112是一个TZO天体候选者。“从长远看,以后也有可能证实它并非TZO天体,”Levesque解释说,“即便如此,它也确实是一颗奇怪的恒星。”

 

Zytkow也对此发现深感满意,她正在争取观测时间和分析谱线特征。“为Kip Thorne和我多年前最先预测的天体寻找候选者,我乐在其中,”Zytkow说,“自从我们提出星核是中子星的恒星模型,人们一直无法反驳我们的理论。如果理论是正确的,它总有一天会得到观测的证实。”

 

回顾恒星的演化

 

寻找“星中星”上去就挺有意思,而且TZO天体的发现对天文学家来说别具意义,它的存在可以告诉科学家有关恒星演化的信息。近些年来,在许多领域(例如恒星对流)取得的重大进展让天文学家得以改进TZO的物理模型。这些改变也许会产生新的元素丰度特征,供观测者去搜寻。天文学家还想知道,TZO天体能否解释一些重元素的来源:截至目前,粗略地估计指出,宇宙中的TZO天体多得足以解释这些元素的形成,但TZO的数目仍然非常不确定。

 

仅仅观测到一个稳定的TZO天体,天文学家如何能估算出还有多少个TZO天体有待发现呢?这个问题可不好回答:一方面,没有人知道TZO天体保持稳定的时间有多长。一些模型预言说,它们是短命的天体——只能存在几千年,要么被极强的星风撕碎,要么坍缩成黑洞。“从数值模拟的角度来看,这也是最难模拟的过程之一,”de Mink说,“因此,我们很不确定。”

 

看得更深些

 

天文学家也在思考,到我们邻近的区域去寻找TZO天体是否会更加容易些。球状星团似乎是一个特别有吸引力的目标。球状星团里的恒星几乎是同时形成的,而且紧密地挤在一起,又年老,这意味着它们的重元素含量较低。密集的球状星团为中子星与红巨星的并合提供了理想的环境条件,而且,在金属元素含量普遍偏低的恒星族群中,异常的光谱线会更容易凸显出来。

 

随着光谱仪和望远镜性能的改进、巡天观测的深度不断增加,TZO搜寻者将继续深入研究这些古怪的恒星,它们是如何形成的,又是如何死亡的,我们能发现多少这样的天体。正如Levesque所说,“光是看看宇宙里有什么,就让人兴奋不已。”



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