点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”

来源:光明网2020-04-15 17:59

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  一颗质量超过16个太阳质量的恒星,其特性与我们太阳相比会有一些极端。在它壮年阶段,其半径约为太阳的10倍,温度超过3万度,亮度是太阳的几万倍。但年龄不会超过一千万年,而我们的太阳质量是小质量恒星,但它的寿命可以超过一百亿年。目前在我们银河系内发现的最大质量恒星约为120-150个太阳质量,而在宇宙的早期甚至能到1000个太阳质量。

  在宇宙早期,大质量恒星产生的电离光子电离了厚厚的中性氢,使得宇宙变得透明。当它死亡时产生的强烈爆炸,它是如此之亮以至于在宇宙的任何地方都可以看到。目前为止,我们已经看到了宇宙刚形成5亿年之后的伽马射线暴及其超强超新星爆发,这正是大质量恒星死亡时发出的绚丽而明亮的烟花。

高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”  

宇宙大爆炸(来源:NASA)

  大质量恒星是其所在星系主要的光源,这使得我们可以看到它们所在的遥远星系。大质量恒星会产生强大的星风,及其死亡时抛出的物质不但会增加星际介质的金属丰度(天文学家们把除了氢和氦的所有物质都称之为“金属物质”,它们的数量占所有原子总数的比率称为“金属丰度”),而且还会促进新的恒星形成。因此,从这方面说,大质量恒星是一个星系的超强发动机。正是由于它们的存在,才使得整个星系充满了活力,生生不息。

高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”  

大质量恒星的超新星爆炸

  和所有的恒星一样,大质量恒星在诞生之后,就开始燃烧其核心区的氢,把氢聚变成氦。这是恒星一生中最为漫长的阶段,这个过程占据了其生命的80%以上。当核心区的氢燃烧尽之后,由于没有能量支撑,核心会慢慢收缩,直到点燃氦核。但即使在其主序阶段,整个星体已经开始向外膨胀,并且星风变得越来越强烈。对于超过20个太阳质量的恒星,当氦燃尽之后,随后就是碳、氧、氖、镁、硅依次耗尽,此时,恒星完全变成一个洋葱结构:外面是氢包层,下面依次是氦层,碳层直到铁峰元素核。当核心完全变为铁核之后,由于此时没有能量供给,最后整个星体塌缩,变成一个核塌缩超新星。

  生命在于自转

  如果没有自转,所有大质量恒星都会重复着上面的生活。但是自转大大改变了它们千篇一律的生存状态。

高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”

  高速自转的恒星和普通的恒星相比,有着自己完全不同的生活轨迹。首先,高速自转能导致星体内部很强的物质交流(子午环流,或叫爱丁顿流。左图是一个质量为15个太阳,自转速度为300km/s的星,其内部环流情况)。这种物质交流能改变恒星的内部分层结构,极端情况下可以使得恒星内部的核反应物质混合到表面,并且把外部的新鲜氢燃料带到核心区。由于不断被补充新鲜燃料,所以其寿命被明显延长。其次,这种强烈的混合会打破恒星常规的洋葱结构,使得在其演化晚期不会有氢壳层燃烧发生,所以星体不会膨胀很多,一直会保持身材苗条。最后,由于燃烧更为充分,一生可以积累更多的核燃烧后的金属物质。

  

  经历过高速自转运动的氮超丰星

  由此可知,高速自转可以使大质量恒星身材苗条,还能使其延年益寿,永葆青春。但我们银河系中大质量恒星都是新近形成的,有较高的初始金属丰度,因此星风都非常强,对高速自转的大质量恒星的制动效果明显,所以高速自转的大质量恒星非常稀少。在我们银河系,大质量恒星自转速度峰值在90km/s左右。这就像人类一样,都知道坚持锻炼能健康身体,但往往都不能坚持长久。那么如何知道哪些星经历过高速自转阶段呢?

  氮超丰星是一种氮含量极高的星,一般要高于同类大质量恒星氮含量的10倍以上。早在1970年,美国Walborn先生在他博士期间发现了一颗很奇怪的星HD 201345,它的氮的光谱吸收线异常强。随后又陆续发现了一些氮超丰星。天文学家们用了各种理论模型都不能解释它为什么有这么多氮元素,只是根据它们的碳、氮、氧的比例,发现这种超丰的氮应该是恒星内部的核反应产物。超丰的氮元素究竟从何而来?这个问题一直困扰着天文学家。

  我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)是目前光谱获取率最高的望远镜,它一次能观测4000个天体目标。截止2019年3月,LAMOST成为世界上首个发布光谱数超过千万量级的光谱巡天望远镜。利用LAMOST光谱数据,我们可以获得恒星沿着视线方向的运动速度。欧洲航空局的盖亚天文望远镜卫星(Gaia)在2018年4月份发布了超过13亿颗恒星的视差和自行数据,使得天文学家可以从中得到恒星距离和垂直于视线方向的运动速度。

高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”  

图为LAMOST望远镜与星空

  很幸运的是,我们也在LAMOST的千万光谱中找到了两颗高速自转的氮超丰星,名字分别为:LS I +61 28 和HDE 236672。紧接着收集了所有同时具有视向速度和Gaia天测数据的氮超丰星,然后对它们在银河系内的运动进行了分析,发现这些氮超丰星源于双星相互作用。

  起初这类星作为伴星处在相互绕转的双星系统中。由于潮汐力作用或者物质吸积,导致了它们自转加速。当主星作为超新星爆炸之后,它们被沿着轨道切向方甩出。由于吸积物质,导致了自身高速自转,高速自转会大大增加赤道附近离心力和赤道半径,从而大幅度降低赤道附近的有效重力加速度。它们自转轴倾角的不同会造成我们看到的表面重力不同:如果它们的赤道正对着我们,我们就会看到高速自转且表面重力小的星(见左下图);反之,如果它们的两极对着我们,那么我们就会看到自转慢且表面重力大的星(见右下图)。

高速自转:大质量恒星的“养生秘笈”  

左图为从赤道方向看高速自转星;右图为沿自转轴方向看高速自转星。(石雅婷绘)

  大质量恒星的最主要能源来自于通过碳氮氧循环的氢燃烧。在其中,碳氮氧作为催化剂存在,总量保持不变。而碳和氧在这个过程中被转换成了氮,所以总体效果导致氮增加。高速自转会导致的化学元素整体混合,这种混合会把表面上的氢燃料带入核心,而把核心的核聚变过程产生的物质带到表面。从而导致了恒星表面上的氮超丰。

  综上,这种氮超丰的星,正是我们要找的正在经历高速自转或者已经经历过高速自转的大质量恒星。

  高速自转与天文学前沿

  伽马射线暴和引力波事件是当前两个天文学前沿热点。伽马射线长暴被认为是高速自转大质量恒星死亡时的产物。当其死亡时,中心会塌缩成黑洞,而正是由于自身的高速自转,从而导致在黑洞周围形成一个高速绕黑洞旋转的等离子体,进而产生了强大的磁场。当磁极对准地球时,我们就会看到伽马射线爆发了。这种伽马射线长暴一般只持续几十秒,但最远的伽马射线暴能传播130多亿光年到达地球,它是我们研究宇宙黎明时代的强有力工具。

  自从2015年9月14日,激光干涉引力波天文台(LIGO)发现了第一个引力波事件之后,天文学进入了多信使天文学时代。随后在2017年10月份,诺贝尔奖被颁发给在引力波探测方面作出杰出贡献的三个科学家。到目前为止,大多数探测到的引力波事件是几十个太阳质量的双黑洞并合形成的。这类双黑洞一般认为是由两个高速绕转的且高速自转大质量恒星形成的。

  结束语

  高速自转是天文学家理解大质量恒星本质的一个重要因素。高速自转的运动可以使得大质量恒星身材苗条,还能使其延年益寿,永葆青春。另外,它也是天文学家理解当前天文热点伽马射线长暴和引力波事件起源的关键。

  作者简介:李广伟,国家天文台副研究员,主要研究方向为恒星物理。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 大屠杀死难者家庭祭告活动举行

  • 丹江口水库“守护者”

独家策划

推荐阅读
11月30日晚间,海南商业航天发射场圆满完成首次发射任务,验证了我国首个商业航天发射场在硬件、软件、人员等各方面已具备常态化发射能力。
2024-12-02 08:55
房元鹏分析,比较来看,我国的天舟飞船属于大型货物运输飞行器,上行装载货物能力强。
2024-12-02 08:50
从农业农村部获悉,12月1日,由农业农村部主办的第二十一届中国国际农产品交易会在广东省广州市落下帷幕。
2024-12-02 03:45
推进中国式现代化,科技要打头阵。科技创新是必由之路。近日,习近平总书记在湖北考察期间,到武汉产业创新发展研究院考察,观看科技创新供应链平台成功案例展示和科技创新成果,
2024-12-02 03:40
科学与哲学关系密切,恩格斯早就提出,“随着自然科学领域中每一个划时代的发现,唯物主义也必然要改变自己的形式”,有着独特思维方式的哲学必然随着科学的发展而自觉改变其本身的形式。
2024-12-02 03:45
提供更加精细化、专业化、多样化的服务。
2024-12-02 03:40
让年轻人在科技创新中“挑大梁”,要遵循人才成长规律和科研规律,在技术攻关中敢于给他们压担子,并对他们可能遭遇的失败给予一定的宽容度。
2024-11-29 09:51
国家医保局28日举行新闻发布会,发布2024年国家医保药品目录调整情况。据介绍,自成立以来,国家医保局已连续7年开展药品目录调整工作,累计将835种药品新增进入国家医保药品目录,其中谈判新增530种,竞价新增38种。
2024-11-29 09:49
第二届链博会聚焦发展新质生产力,新增先进制造链展区,从研发设计、新材料运用、关键零部件及加工、智能制造及高端装备等四个方面,展现全球先进制造领域从前端设计到终端产品应用的全产业链。
2024-11-29 09:48
持续打造服务农民生产生活和促进现代农业发展的综合平台,当好党和政府密切联系农民群众的桥梁纽带,奋力谱写供销合作事业高质量发展新篇章,为推进乡村全面振兴、加快建设农业强国作出更大贡献。
2024-11-29 09:47
根据规划,中国计划2025年完成下一代北斗系统关键技术攻关;2027年左右发射3颗先导试验卫星,开展下一代新技术体制试验;2029年左右开始发射下一代北斗系统组网卫星,2035年完成下一代北斗系统建设。
2024-11-29 09:35
在科技成果转移转化过程中,有一道看似难以跨越的鸿沟——科技人员通常不熟悉市场、经营和生产,企业经营者往往搞不懂前沿科技。
2024-11-28 02:50
在光通信系统中,硅基调制器是信息传输与处理的关键一环,是整个电光信息转换的“心脏”——信息经过这个枢纽来去、流转,高效搭上光的“顺风车”,奔赴不同目的地。
2024-11-28 02:50
“这是智能滴灌系统,能根据土壤湿度自动调节灌溉量,既让植物不缺水,又能节省水资源。”日前,在重庆市大渡口区慧泉小学,一群小讲解员正在向大家讲解智能滴灌系统的奇妙之处。
2024-11-28 02:50
11月27日10时,朱雀二号改进型遥一运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的光传01、02试验星顺利送入预定轨道,飞行试验任务获得圆满成功。
2024-11-28 02:50
走进永川区数字化城市运行和治理中心,一个巨大的视屏映入眼帘。屏幕上实时显示着电子地图及城市各领域管理问题处置进展,大厅工作人员正有条不紊地进行监测、分析和处置,整个永川区的城市运行状况一目了然。
2024-11-28 02:45
近日,在宁夏回族自治区吴忠市同心县河西镇旱天岭村,记者看到一座座农家屋舍的外墙都装有一台设备,连着地埋井,旁边还放着三块光伏板。迎着寒风,记者走进村民康凤英家,一股暖意扑面而来。
2024-11-28 02:40
记者26日从中国科学技术大学了解到,该校副教授董二宝课题组联合香港城市大学副教授于欣格团队,提出了一种基于柔性光栅结构色的触觉感知新方法。
2024-11-27 09:42
清晨,夜晚的寒气还未完全消散,新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十六团新开岭镇的青蟹养殖基地旁就围满了人。随着一声令下,捕捞工作正式开始。工人们熟练地捞起蟹笼,一笼笼肥美的青蟹被拉上了岸。
2024-11-27 01:55
26日,由中国科学院国家天文台主办的“中国天眼”(FAST)脉冲星科学研讨会举行。记者从会上获悉,截至2024年11月,FAST发现脉冲星数量已突破1000颗,超过同一时期国际其他望远镜发现脉冲星数量的总和。
2024-11-27 02:20
加载更多