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银河系上千亿颗恒星中的怪家伙们

2022-05-19  大科技杂志社   |  转藏
   

恒星是宇宙中最主要的成员,仅在我们银河系中就有上千亿颗恒星。当然,它们中多数是泯然大众,或多或少遵循着既定的生命轨迹演化,天文学家也基本掌握它们的演化规律。但我们也会不时遇见一些奇怪的家伙,它们的特征和习性是如此古怪,以至于挑战了我们对物理学的理解。

这些奇怪的家伙有从双胞胎自相残食的恒星到制造“不可能”元素的恒星,再到拒绝死亡的恒星,总之用现在的天体物理学理论很难解释。下面我们介绍宇宙中一些最奇怪的恒星。

仓皇出逃的恒星

一些恒星正在从我们的银河系脱离。这是天文学家对几十颗恒星的观察中得出的结论。这些恒星的运动速度是如此之快,甚至银河系的引力也拽不住它们。最快的是S5-HVS1,速度达到1700千米每秒。目前,它已进入荒凉的星系际空间。

但是,一颗恒星是如何加速到这么快的呢?

2005年,天文学家发现了第一颗超高速恒星,它似乎来自银河系的中心。我们知道,银河系中心盘踞着一头“巨兽”——超大质量黑洞。会不会是它把人家吓得没命奔逃?果不其然,天文学家的计算表明,如果一对双胞胎恒星路过黑洞,靠得太近,黑洞就会抓住其中一颗吞吃掉,把另一颗往外抛射。

2018年,天文学家在调查了距离太阳最近的一颗超高速恒星LAMOST-HVS1之后,这个情节变得更为充实。这颗恒星似乎是从一个星团(很多恒星聚集形成的集团,与星系不同的是,星团没有中心)中被抛射出来的,这很奇怪,因为星团中并没有黑洞呀——至少我们是这么认为的。但是,如果这个星团中也含有黑洞——只不过不是盘踞中心、君临万物的那种超大质量黑洞,而是中等质量的黑洞——那现有的理论也能解释。所以,天文学家猜测,在这个星团中或许存在着迄今不为人知的黑洞。

最让人感兴趣的是,研究超高速恒星的运动,或许能帮助我们理解暗物质。暗物质是天文学家假设的一种物质,它们跟普通物质只有引力作用,没有电磁力作用,所以我们的光学望远镜、射电望远镜都探测不到它们。但它们对于宇宙的演化又至关重要,如果没有它们的引力,很多星系(包括银河系)早就解体了。一般认为,银河系中心附近,分布着一团暗物质云。天文学家现在感兴趣的是,希望通过研究从银河系中心抛射出的超高速恒星的轨迹,来推断出这团暗物质云的形状。因为超高速恒星在一路奔跑途中,轨迹肯定要受暗物质云引力的影响,这个引力,又跟暗物质云的形状有关。一环套一环,而暗物质云能形成如此这般的形状,又跟它自身的作用力有关。所以,如果知道了暗物质云的形状,我们可以更好地了解暗物质自身是如何相互作用的(比如,暗物质之间除了引力之外,会不会存在别的作用力),从而为确定暗物质的身份提供新的线索。

制造“不可能”元素的恒星

1961年,波兰天文学家安东尼·普兹比斯基在观测中发现恒星HD 101065的光谱与众不同。后来,这颗恒星被称为普兹比斯基恒星。

光谱是恒星的“条形码”。它们的特征是,在一条明亮的、颜色循序渐进变化的光带上,分布着一条条暗线。暗线在光谱中的位置可以告诉我们恒星的化学成分,譬如恒星里有哪些元素。通常这些暗线数量有限,截然分明,很容易识别,但普兹比斯基恒星暗线数量之多,彼此交叠,使得我们很难确定这颗恒星里到底有些什么元素。

2008年,一个天文学家小组声称,他们从普兹比斯基恒星的光谱中识别出一组来自锕系元素的暗线。这是够令人吃惊的,因为锕系中一些较重的成员在自然界中并不存在,只能在粒子加速器中合成。它们不仅极难产生,还会迅速衰变。例如,以爱因斯坦的名字命名的元素锿,其寿命只有472天。这样的元素在恒星一生中早就该消耗殆尽了,哪还会留存至今!除非……除非它们能源源不断地得到补充。

因此,一些天文学家怀疑,来自普兹比斯基恒星的怪异光谱可能是所谓的“稳定岛”存在的第一个证据。“稳定岛”是核物理学家设想的元素周期表中的一块地方,这里的元素虽然超级重,但异常稳定(一般来说,元素越重,越不稳定)。这些元素被认为在自然界中不太可能存在,只能通过加速器,让两个较轻的原子核高速碰撞,融合在一起,才能制造出来,而且一旦产生,就足够稳定,可以存在数千万年。但这些同位素至今为止未能合成。

在自然界中,唯一能产生这些超重元素的地方是超新星内部。超新星是某些恒星死亡之前的一次大爆炸,它释放的能量是如此之大,可以与恒星一生缓慢燃烧释放的能量相当。爆炸产生的难以置信的高温高压,为超重元素的合成创造了条件。

考虑到这一点, 2017年有天文学家提出,也许普兹比斯基恒星附近曾经有一颗超新星,其爆炸产生的冲击波可能携带了数量可观的超重元素到普兹比斯基恒星上。这些超重元素在缓慢衰变,而衰变产物就是锕系元素(如锿)。虽然锿本身衰变很快,但超重元素衰变很慢,所以恒星大气中的锿总能得到补充。这个道理就好比一个水池,尽管水从出水口流出很快,但只要始终有涓涓细流流入,那么池子里就会始终有水流过。

这个解释很漂亮,但也有天文学家提出警告:普兹比斯基恒星中是否真的有锿元素,还需要进一步核实。理由是,这颗恒星的表面温度在6600K左右,比大多数恒星都高。在这种条件下,其大气层中的原子外层电子被剥离,变成了离子。它们发射的光谱就不再是我们平常所熟悉的原子光谱,而是离子光谱了。离子光谱是相当复杂而紊乱的,靠它来识别元素很不容易,所以很可能是一种普通元素被我们误认成了锿。

拒绝死亡的恒星

每一天都有恒星在宇宙的某处把自己炸成碎片,这就是前面提到过的超新星爆发。超新星爆发是大质量恒星生命旅程的最后一幕,只有当恒星内部核反应燃料耗尽时才会发生。既然如此,这种事情对于任何一颗恒星,一生都只能发生一次。你能想象,一颗恒星一次又一次超新星爆发吗?

可是,还真是有一颗死了一次又一次的恒星。这颗名为iPTF14hls的超新星发现于2014年。在随后将近两年的时间里,天文学家目睹它爆发不下于5次,而且从天文台的存档中查出,它可能早在1954年就已经在爆发了,只是当时没引起人们注意。这样看来,它就像传说中的凤凰,不断地涅槃,然后浴火重生。

不过,正当大家逐渐习惯了它一次次的死亡表演时,这颗超新星最近却突然失踪了。是它最后一次总算玩了真格?还是跟我们又玩起了捉迷藏游戏?目前无人能知。

也许最奇怪的是,对这颗恒星的光谱分析表明,每次爆发它都是一颗完全正常的、似乎刚刚才爆发的超新星。

对此现象,目前还没有确凿的解释。最好的猜想是,这颗恒星非常巨大,其内部温度之高,足以形成反物质(在实验室中,需要把粒子加速到极高能量,相互碰撞,才能产生反物质粒子)。物质与反物质相互湮灭,从而引发了爆炸。这一过程在过去发生过好几次,但因为反物质毕竟远远少于物质,每次爆发都没有导致恒星彻底毁灭。而且,正反物质湮灭之后,完全转化成了光子,没有合成任何新的元素。换句话说,没有任何历史的痕迹遗留下来,所以从光谱上看,每一次爆发都像一次全新的开始。

比宇宙还古老的恒星?

有一颗恒星似乎比宇宙还古老,除非宇宙比我们想象的更古老。

HD 140283距离地球约200光年,几乎全部由氢和氦构成。这表明,它是最早形成的恒星之一,因为大爆炸之初,宇宙中只有这两种元素,其他重元素(比氢、氦原子序数大的元素)都是后来合成的。所以,恒星中重元素的含量可以揭示它们大致的年龄。

据估计,HD 140283的年龄约为144.6亿年。而且因为它含有少量重元素,所以可以肯定它还不属于第一代恒星。这样推算,宇宙的年龄比144.6亿年还大。可是,我们从宇宙学标准模型推算出来的宇宙年龄是大约138亿年。于是,出现这样一个哭笑不得的结论:恒星HD 140283的年龄比宇宙还大!

所以,要么是用来计算宇宙年龄的宇宙学标准模型错了,要么是用来计算恒星年龄的天体物理学理论错了。所有这一切都表明,我们对宇宙早期的了解是多么的少。

大至可吞没木星的恒星

在决定谁是银河系中最大的恒星时,有一些巨大的竞争者。2013年,天文学家测量了三颗红色超巨星。他们发现,这三颗恒星都比太阳大1000倍。最终,冠军是UY Scuti。

UY Scuti实际上是一颗超级巨恒星,据估计它比太阳大1708倍。如果它在我们的太阳系取代太阳,其半径将跨越木星轨道,涵盖土星轨道的大部分。论亮度,UY Scuti是太阳的30万倍。

不过,它作为银河系最大恒星的地位仍有争议。另一组天文学家认为,这颗恒星比人们普遍认为的离地球更近。如果是这样的话,UY Scuti要小一些,也许只有太阳的825倍。

即使按最大来估计,UY Scuti比起在大麦哲伦星云(一个环绕着银河系运转的卫星星系)中的恒星WOH G64仍然要相形见绌。WOH G64的大小介于1540到2575倍太阳之间。

自相残食的恒星

Algol是夜空中肉眼可见的亮度周期性变化的恒星之一。每隔2.867天,它会消失10个小时,然后亮度恢复正常。这一“眨眼”让古希腊人将其标记为蛇发魔女梅杜莎的眼睛。据说,人朝梅杜莎看上一眼,就会化为石头。

我们现在了解到,Algol是双星系统中的一颗。它和它的兄弟恒星相互绕着共同的中心公转,从地球上看,它们定期相互遮挡。或者说,定期发生星蚀。

但其稳定的2.867天的公转周期仍然是一个谜。按天文学家的理解,公转周期这么短,说明它们彼此转动得非常快,恒星之间的距离非常近。但如此一来,一颗恒星就免不了要从另一颗上抽吸气体。根据动量守恒定律,这一抽吸动作会慢慢地将它们推开(就像一个人朝你扔来一个速度很高的篮球,你接住的同时,身体会不由自主地往后退),距离拉长,从而也延长了公转周期。但这一切天文学家并没有看到。

在这件事情上,或许古人已经为我们准备了答案。古埃及人的历法中,一些特殊的日子是以Algol的星蚀为基础的。有人发现,今天Algol的公转周期比那个时候延长了20分钟左右。这就容易用两颗恒星的自相残食来解释了。

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