宇宙天体有哪些超乎想象的演化方式?

宇宙天体有哪些超乎想象的演化方式?

七小七,脚踏实地,仰望星空。心有猛喵,细嗅鱼干。

说起来这个我可就不困了。正所谓,世界之大,无奇不有。今天就给大家讲讲恒星里那些“不走寻常路”的家伙们。

首先,作为背景知识,简单的介绍一下正经恒星的演化过程。

恒星都是从星云中诞生的。星云受到扰动,开始逐渐凝聚,内部不断升温,压力变大,直到大到点燃了氢元素的核聚变反应,一颗新恒星就诞生了。新生阶段的恒星会继续凝聚,直到它向内的引力与核聚变产生的向外的辐射压达到平衡,恒星达到了稳定状态,开始了星生中最长的阶段,主序星阶段。

恒星主要由氢和氦构成,在主序星阶段,它内部只进行氢的核聚变反应,因此性质比较简单。恒星可以保持固定的大小,光度。恒星生命中的 90%的时间,都是一颗主序星。

当恒星核心的氢逐渐耗尽,表层的氢开始燃烧,之后氦也会加入燃烧,聚变更加猛烈,恒星光度增加,向外的辐射压变大,体积也跟着膨胀。由于膨胀的速度远大于光度的增加,恒星的表面温度会降低,变得越来越红,来到星生晚年。

此时,根据恒星质量的不同,它们会走上不同的演化道路。

质量在 8 倍太阳质量以下的中小质量恒星,离开主序阶段后,会膨胀变红,成为一颗红巨星。最后在脉动中失去表层物质,内核坍缩成一颗白矮星

而质量大于 8 倍太阳质量的大质量恒星,会先变成蓝超巨星,再膨胀成为一颗巨大的红超巨星。由于内部温度更高,压力更大,恒星会继续聚变更重的元素,比如碳,氧等等。之后它们会通过超新星爆发的形式迎来星生终点,成为一颗中子星或黑洞

恒星演化过程示意图

以上的介绍比较简略,大部分的恒星都遵照着这样的常规路线度过一生。但总是有些特例独行的家伙,向我们疯狂的展示着恒星演化的多样性。下面就挑几个典型介绍一下。

青春永驻的吸血星

在宇宙中,有的恒星会结伴而行,它们被叫做双星。在双星系统中,有一种挨的特别近,近到可以互相交换物质的双星,叫做密近双星。密近双星是真正的双胞胎,它们是一起形成的,虽然大小可能不同,但是年龄一样。

恒星的演化有个特点,质量越大的恒星,它内部的核反应进行的越快,它的寿命也就越短暂。比如太阳这样的小质量恒星,寿命可达 100 亿年。而参宿四这样的质量是太阳 10 几倍的大质量恒星,寿命只有千万年左右。通常来说,我们知道了一颗恒星的质量和光谱类型,就能大概计算出它的年龄和寿命。

但是,我们在一个密近双星系统中,却发现了一颗不符合演化规律的恒星。它就是狮子座的一等星,大名鼎鼎的“帝王之星”轩辕十四

轩辕十四一家四口。大小并非真实比例

轩辕十四其实是个四合星系统。是由一对儿密近双星和两颗较远的恒星组成的。在这对密近双星轩辕十四 Aa 和轩辕十四 Ab 中,质量较大的轩辕十四 Ab 已经率先走完了星生,变成了一颗白矮星。通过观测它的光谱,推测它的年龄大概是 10 亿年左右。

但是它的兄弟轩辕十四 Aa,看上去可完全不像是 10 亿岁。以它质量来看,根本活不上 10 亿年,早就应该变成白矮星了。单它目前才刚刚脱离主序,看它的样子,顶多也就 1 亿岁,不能再老了。

可是前面也介绍了,密近双星是一起形成的,它们的年龄就应该是 10 亿岁。那么轩辕十四 Aa 是如何以如此大的质量保持着青春的呢?

西方关于吸血鬼的传说中,吸血鬼通过吸食人血来保持青春永驻。而轩辕十四 Aa 的秘诀也跟这有异曲同工之妙。其实轩辕十四 Aa 在形成之初,应该比现在质量小得多,因此寿命其实本来很长。但在几亿年前,它的小伙伴轩辕十四 Ab 进入了星生晚年,体积膨胀后,它的物质充满了二者的洛希瓣,轩辕十四 Aa 开始毫不客气的疯狂吸血小伙伴,质量不断增加,直到变成如今这样的“高龄大胖子”。

此外,根据角动量守恒,轩辕十四 Aa 从小伙伴那获取的除了质量,还有角动量,因此越转越快,生生把自己拉成了一个椭球形。如今,它的自转速度已经快要接近极限,达到了惊人的318 公里 / 秒,只需 15.9 小时就能转一圈。是一等星中自转最快的一颗。幸好被吸血的轩辕十四 Ab 已经变成了白矮星,榨不出什么油水了。不然轩辕十四 Aa 再提速 16%,就要把自己转解体了。

轩辕十四跟太阳的大小对比图

逆袭上位的心机星

在双星系统中,我们一般管质量大的叫主星,质量小的叫伴星。而根据前面介绍的恒星演化规律,质量越大,演化的越快,所以在双星系统中,主星会率先走完主序生涯,膨胀变红。这时如果它的伴星还停留在主序阶段,我们就能看到一蓝一红的双星。

但诡异的组合总是会打破我们的想象。

由于东西方的文化差异,星星的名字和象征意义往往大相径庭。但在一颗星星上,东西方审美却达成了惊人的统一 -- 凶!它就是在东方代表陵墓,在西方被叫做“恶魔之星”的大陵五

大陵五位于英仙座,是一颗非常著名的变星。它会在 2.86 天的周期里,光度从 2.1 等变到 3.4 等。这么明显的变化,使得西方人非常不待见它,把它当做蛇魔美杜莎的头(看一眼就变石头的那个)。

但大陵五的光变是有原因的,它是个三合星,其中两颗星星是密近双星,叫做大陵五 Aa1 和大陵五 Aa2,它们俩会互相掩食,就跟日食的原理差不多。每当比较暗的伴星 Aa2 挡住比较亮的主星时 Aa1,它们的整体光度就会短暂下降。

大陵五的掩食过程

在双星中,掩食也不算什么特别的。但大陵五的双星组合却透露出诡异的气息。它那颗比较暗的伴星大陵五 Aa2,是颗演化到晚年的红巨星,而质量更大也更亮的主星大陵五 Aa1,目前还在主序阶段。

这跟我们前面的分析就完全反过来了。质量大,就应该先变红呀!它们这种奇怪的组合是怎么来的呢?

答案跟轩辕十四哥俩差不多。这也是一起“手足相残”的吸血事件。只不过,大陵五 Aa1 更狠了一点,它本来是那颗比较小的伴星,当它的大哥步入晚年,力有不逮的时候,小弟 Aa1 开始疯狂吸收它的物质,最终摇身一变,成为了质量更大的主星。不但保持了青春,还鸠占了鹊巢,不得不说,真是“心机星”一枚啊。

大陵五吸积过程的想象图。

疯狂徘徊的超巨星

前面介绍过了,恒星一旦离开主序,就不可避免的体积膨胀,从而表面温度下降,变得越来越红。小质量恒星会变成红巨星。而大质量恒星会先膨胀,变成巨大的蓝超巨星,之后进一步膨胀,变成更大的红超巨星。之后,它们就会沿着各自的演化路径,走向生命的终点。

比较著名的红超巨星有天蝎座的心宿二和猎户座的参宿四,它们的体积非常非常大。如果太阳是颗乒乓球,那么心宿二则是直径有 11 层楼那么高的巨大球体。参宿四更大,能有 13 层楼那么高。大家可以想象一下这个比例。

心宿二如果在太阳的位置上,会直接吞并火星轨道。大家注意一下右上角的太阳,大小对比就是这么惨烈

按理说,一旦走上了膨胀的不归路,恒星就没法回头了。但超巨星这种级别的怪物,怎么能甘于平凡呢?在某些条件下,红超巨星会因为小型爆发等原因,失去表层物质,从而又变回了一颗蓝超巨星。这种现象被称为“蓝回圈”

猎户座的一等星,位于猎人右脚位置的蓝超巨星参宿七,就是这样一颗回完了圈的超巨星。根据它的恒星脉动研究表明,它应该是曾经变红过,然后又因为某种未知原因,丢掉了表层物质,重新变蓝了。

当然了,即使它曾经损失过部分物质,它的质量仍然高达太阳的21~24 倍。以它的质量来说,未来的路还不确定,或许它还会再次变成一颗红超巨星,然后再来一次“川剧变脸”,这都不好说。但可以肯定的是,它的星生终点,一定会迎来超新星爆发,迸发出可以与银河系媲美的巨大光亮,化作一朵璀璨的宇宙烟火,结束轰轰烈烈的一生。

参宿七与它附近的女巫头星云

吸积也好,逆袭也罢,在恒星动辄上亿年的生命中,意外和不确定性其实很多很多。我们无法观测到任何一颗恒星的完整生命历程,只能通过观察不同恒星的样子,来拼凑出恒星的一生。也许,上面这些“特别”,并不是真的特别,只是我们了解的太少罢了。

遥望星空,我们永远在丰富着想象,也永远在超越着想象,这就是宇宙的魅力所在吧。