最明亮的恆星幾乎都是雙星

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借助歐洲南方天文台（ESO）的甚大望遠鏡（VLT），天文學家的最新研究顯示，那些驅動星系演化的最亮最重恆星，幾乎都不是單星：大約3/4的此類恆星發現了密近伴星，遠超我們的預期。更驚人的是大部分還經歷了強烈的相互作用階段，比如質量從一顆恆星轉到另一顆；其中的1/3甚至最後將合併為一顆更重的恆星。研究報告刊登在2012.7.27出版的《科學》期刊上。


藝術圖：兩顆大質量恆星間的質量轉移，右邊質量較大的子星演化快，先膨脹。版權：ESO，下同。宇宙是豐富多彩的，許多恆星與太陽差別很大。借助甚大望遠鏡（VLT），一個國際天文學家團隊研究了宇宙中最熱最亮、質量最大的恆星——O型星（注1）。這些恆星的生命極短，但在星系演化中卻扮演著關鍵角色。它們還跟一些極端的現象相關，比如γ射線暴，比如“吸血恆星”——小伴星從其大鄰居的表面吸積物質。研究團隊領隊、荷蘭阿姆斯特丹大學的Hugues Sana解說：“這些恆星是超級巨獸，它們至少有15個太陽質量，比太陽亮100萬倍以上。它們的表面是如此熾熱，溫度超過了3萬℃，發射強烈的藍光。” 在銀河系中鄰近我們的6 ​​個年輕星團中，天文學家研究了71個單星或雙星中的O型星樣本。研究所用的望遠鏡基本都屬於ESO，其中包括VLT。





通過詳盡分析恆星的光譜（注2），天文學家發現75%的目標是雙星，遠超預期；這也是首次精確測定了相關比例。更重要的是，他們發現這些雙星中有很多靠得足夠近，其相互作用（恆星合併或質量轉移）的比例超過任何人的預期。這對我們深刻理解星系的演化意義深遠。


O型星（藍圈）所在的亮星雲，依次為：船底座大星雲（最亮的是海山二）、鷹狀星雲（圖示著名的創造之柱）、IC 2944，大圖下載。宇宙中O型星的比例極小，但各種暴力現像都與它們相關，意味著它們對周圍環境有著強力影響。它們的恆星風和衝擊波既能觸發也能中止周圍的恆星誕生過程；它們的輻射激發星雲發光；它們的超新星爆發為星系充滿了重元素——生命的重要元素；它們還與γ射線暴關聯— —宇宙中最高能量的事件。因此，O型星與星系演化機制息息相關。團隊聯合作者、太空望遠鏡科研所的Selma de Mink解釋道：“借假如旁邊存在另一顆恆星，恆星的演化將受到巨大影響。假如兩顆恆星靠得很近，它們將最終合併；假如沒有合併，一顆恆星也會從伴星的表面吸積物質。” 團隊估計，最終約有20-30%的O型星會合併；如果採用相對溫和的“吸血”模式，比例將有40-50%，這對O型星的演化影響深遠。直到現在，天文學家普遍認為密近大質量雙星僅是例外，用於解釋罕見的X線雙星、雙脈衝星和含黑洞的雙星系統。新研究則顯示對宇宙的上述簡單理解是錯誤的：大質量雙星很普遍，它們的生命過程與單星有著明顯區別（原文是雙重否定句，與我們的習慣不符）。例如在吸血恆星模式，相對小質量恆星通過從（大質量）伴星吸積氫而恢復活力。它的質量將增加，將比其伴星活得長，也遠長於同質量的單星（指增加後的質量，這類恆星以超新星爆發視為生命結束——譯註）；同時，它的伴星被剝奪了外層（轉給吸血伴星了），喪失了變成紅超巨星的機會，並提前露出熾熱的藍色核心。如此，遙遠星系的恆星成員看上去就會比實際的年輕很多：無論是獲得物質的伴星還是喪失物質的伴星，都變得又熱又藍，就像年輕恆星一樣。因此，知道大質量雙星的相互作用比例對正確了解遙遠星系的性質很重要（注3），詳見演化模擬視頻：24.7MB。Hugues Sana總結道：“遙遠星系給天文學家提供的唯一信息就是它們的光。沒有對恆星成分的假設，我們就無法對這些星系下結論，比如它們有多大質量，多年輕。我們的研究顯示，通常假設的大部分恆星是單星的假設將導致錯誤的分析結論。” 要了解這些效應到底有多大的影響、在多大程度上改變我們對星系演化的認識，需要進一步的觀測研究。雙星模型很複雜，把這些因素都添加到星系演化模型中更是需要時間的。附註1、絕大部分恆星根據它們的光譜型（顏色）分類，這與它們的質量和表面溫度有關。從最藍（也是最熱或最大質量的）到最紅（最冷或最小質量的），最常見的光譜分類為：O、B、A、F、G、K、M。O型星的表面溫度超過3萬℃，呈燦爛的艷藍色；它們的質量超過15個太陽（質量上限超過100個太陽）。2、密近雙星的子星常常靠得太近，在望遠鏡中看起來也只是一顆星。但是，通過光譜儀，天文學家能夠研究子星的性質。本例中採用的是VLT上的紫外和可見光中階度攝譜儀（UEVS）。光譜儀的工作原理類似棱鏡把陽光折射為彩虹。恆星大氣中的元素吸收星光的特定譜線，形成較暗的吸收線。當我們觀測單星時，這些吸收線的位置是固定的；但雙星由於互相運動，吸收線的位置會有微小的移動（多普勒效應）。通過分析這些線相互的偏移程度和時間，天文學家能夠確定恆星的運動和軌道性質，包括它們是否會靠得足夠近，以致於發生質量轉移甚至雙星合併事件。


PDF中的O型星調查表，各項參數依次為：編號，所在星團編號，主星/伴星，光譜型，互繞週期，子星質量比，軌道偏心率，數據被引用次數。3、存在大量吸血恆星的事實與以前難以解釋的現象符合得很好：觀測發現，大約1/3的超新星爆發時，原恆星的氫極少。而本次研究中，貧氫超新星爆發的比例，與吸血恆星的比例很接近。恆星吸血能很好地解釋該現象：在超新星爆發前，前身星早就把富含氫的外層大氣轉移給了伴星（恆星演化後期都會膨脹，外層大氣越過兩顆恆星的引力平衡點就會全數轉移給伴星；而根據恆星演化模型，剩餘的大氣會繼續膨脹，結果繼續越過平衡點，加速轉移給伴星。由於伴星質量增加，轉移會越來越快，一般在1萬年左右就能完成——譯註）。H.Sana團隊的研究報告已經刊登在2012.7.27出版的《科學》期刊上，標題：“ 雙星相互作用支配大質量恆星的演化 ”。