在恒星的生命周期中,其演化过程伴随着周围环境而变化?

在恒星的生命周期中,其演化过程伴随着周围环境而变化?
2019年11月06日 00:10 新浪网 作者 IPO那点事嵘嵘

作者:文/虞子期

巨大恒星的形成,通常都发生在一个群体中,比如我们熟知的疏散星团M7。但由于它们的主序寿命很短,大部分能量都是在遥远的紫外波长下发射,而这些波长是地球无法进入的。因此,科学家们对大质量恒星的分布、及其形成方式所进行的研究也异常复杂。对于具有超大质量的恒星而言,甚至可能不存在年龄为零的主序列阶段,因为,当一个恒星的质量超过40个太阳的质量之时,在融合其核心氢的大部分之后,甚至可能无法完成它们的组合。虽然,在宇宙中存在的巨大恒星数量相对较少,但其对星系的性质却有很大的贡献,因为它们是重元素生产和星际介质中能量平衡的重要基础,在巨大恒星的生命周期中,其演化过程也总是伴随着周围环境的变化

在恒星的生命周期中,其演化过程伴随着周围环境而变化?

巨大恒星对附近区域造成的影响

巨大的恒星会通过强风、辐射,以及超新星爆炸的反馈,以调节尺度较大的恒星的形成速度,而大多数恒星的形成位置,都位于大质量恒星附近,因此,它们也影响了低质量恒星的形成速度。在恒星的形成区域内,当相对少量的恒星形成后,恒星形成将停止。这是因为恒星“托儿所”被一些新形成的恒星给辐射掉了,由于最热的这些恒星,加热了周围的分子气体,导致了其分子被分解,并驱走了气体。而当温度超过约1900 K时,气体分子进一步分解成原子,气体和尘埃都被清除,先前隐藏的年轻恒星开始变得可见,但分子云及其恒星形成的能力却不复存在。

因此,这种有利于恒星形成的相同气候,也可能会关闭恒星的形成过程。比如,鹰状星云区域内所包含的美丽而复杂的区域形状,这些区域便是由温度较高、且年轻的大质量恒星辐射所雕刻而成。而猎户座大星云则是一个发射星云,它的中心有一些年轻的发光恒星,叫做梯形恒星,它们大约有200万年的历史。包括猎户座大星云、梯形星云和马头星云在内的整个猎户座复合体,都将在接下来的大约10万年中慢慢消散。最终,这个区域将类似于“Ple”宿星团,即一群由年轻且高温、由恒星所组成的开放星团,它们会产生强烈的紫外线辐射,吹走周围的气体云,并随着时间的推移而慢慢漂移。

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巨大的恒星如何向超巨分支演变

在N44F的照片中,科学家们捕获了由恒星风与一颗炽热的年轻恒星的强烈紫外线辐射所雕刻的气体腔,而这颗年轻的恒星曾被深埋在寒冷密集的分子云中。当云层破碎和凝聚,形成一个核心,成为一个原恒星。最终,变得足够热的原恒星开始了热核聚变,核心中的氢原子核也开始融入氦原子核。在核心氢已然耗尽之后,氦开始融入碳和氧核,它们收缩并加热直至有足够的温度,可以使碳和氧气一起融合的过程。这个的融合过程会产生氖、镁、硅和“硫核”,最终,在恒星核心的硅、硫,它们会融合形成铁镍。这颗恒星的结构目前和洋葱类似,只是它的核心由铁核组成,而在核心的周围,则是硅、硫融合的壳,它们向铁核中添加更多的成分。在更远的地方,是更轻的元素融合,它们分别是氧、碳、氦、氢。铁芯非常紧凑,不能通过点燃以诱导进一步的核聚变,核反应就像化学燃烧一样,只有当反应释放能量时才有可能发生。

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铁与其他核的融合,使得需要输入能量到更重的核中,这是一种吸热反应。制造比铁更重的元素所需要的能量,只有在恒星核心的灾难性崩溃或恒星外壳的剧烈排出期间才能获得。而霍奇301就位于狼蛛星云内,并正在迅速接近崩溃,这个巨大的恒星形成区域就位于大麦哲伦星云中,是一个距离我们大约180000 LY的星系。随着氢燃料开始耗尽,这些巨大的恒星离开了HR图的主序列,并开始向超巨分支演变。但这个向超巨分支的过渡并不是平滑的,会随着融合过程从一种核变为下一种核,恒星也会随之会膨胀和收缩。

与此同时,这些恒星中的许多都具有脉动的特征,作用在恒星外部质量上的重力,无法通过向外推动的内部辐射压力来平衡。如果恒星因气体压力增加而膨胀,那么材料密度和压力也会下降,直到达到流体静力平衡,然后因为膨胀的动量而超过。在这一点上,恒星是透明的,光子可以逃脱,然后引力占据着主导地位,恒星开始收缩。当这些材料的动量使收缩超过平衡点,在这一点上,恒星变得不透明,光子被困住,恒星变暗,压力再次变得太高,循环再次开始。这颗恒星就好比充当着振荡器的角色,这种类型的恒星被科学家们称为变星,因为这样的恒星会在脉动时会改变其亮度或幅度。

巨大恒星铁核质量所导致的崩溃

一旦恒星的铁核质量达到钱德拉塞卡极限,核心内原子的电子简并压力就不再能够阻止恒星的进一步坍缩,辐射压力也不再能够支撑核心抵抗重力,从而导致了铁芯坍塌。在不到一秒的时间内,核心从直径约8000公里坍缩到约19公里,由于崩溃发生得如此之快,以至于外层没有时间与核心一起反应或崩溃。并且,在核心坍塌期间所释放的能量也是无法想象的,甚至比100多颗恒星在超过100亿年的整个生命周期中所产生的能量还要多,而坍塌时释放的大部分能量都被中微子带入太空,只有其中的小部分能量会引发伴随的超新星爆炸。

同时,由于巨大恒星的核心崩溃如此之快,以至于它瞬间超过其平衡点、并瞬间反弹。而恒星的最内层仍处于坠落状态,并与回弹核心相遇,形成一个超强冲击波,向外流向恒星表面。当外层被冲击波加热,引发了爆炸性核聚变,并以超过每小时1600万公里的速度喷射最外层,冲击波释放的能量会产生比铁更重的元素。当冲击波到达恒星表面时,它会加热表面层,并使它们变亮,爆炸的恒星可以在一两天之内变得比十亿太阳更明亮。比如,大型麦哲伦星系中的SN1987A超新星事件,膨胀的气态壳体落入周围的星际介质,并用它推动、压缩和混合,这种富含重元素的物质,蕴藏着恒星周围的星际空间,并可能触发新一代恒星的形成。

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巨大恒星的核心残余导致完全崩溃

正在旋转的中子星就是脉冲星,其中的粒子射流几乎以光速从磁极流出,这些喷射器产生非常强大的高能粒子束,发射出X射线。众所周知,中子星具有非常强烈的磁场,这种强磁场会与中子星的快速旋转相结合,产生极其强大的电场,然后通过这些强电场将电子加速到高速。而这些高能电子一般以两种方式产生辐射。作为相干等离子体,电子一起产生无线电发射,并且电子单独地与光子或磁场相互作用以产生高能发射,达到射脉冲与中子星的旋转速率相匹配。我们都知道,磁星是具有超强磁场的中子星,以致固体中子星壳在其影响下弯曲和移动,而由此产生的恒星震动可以反复产生短暂的X射线和伽马射线。比如,N49的哈勃图像便是大麦哲伦星云中的II型超新星残骸,包含一个目前被认为是软伽马射线中继器的磁星。然而,如果坍缩的大质量恒星的核心残余质量,超过了2.4到3倍的太阳质量,则中子简并压力也不能阻止恒星完全崩溃。

中子被推入彼此,直到恒星核心变成具有极端重力的区域,并且,时空变得异常扭曲,以至于成为了黑洞。黑洞的中心是被描述为引力奇点的区域,也是时空曲率变为无穷大的区域,奇点被认为具有零体积的特点,由于它还包含约95%的原始恒星材料,所以它也被认为具有无限密度的特性。奇点具有被称为光子球的球形边界,其在事件视界处终止于其外表面,事件视界内的极端重力场不会发出辐射,因为其逃逸速度超过光速。但我们可以通过它们对周围时空的影响而间接地检测到黑洞,包括吸积盘和伴星。大多数恒星都是二元或多星系统,这些系统中最大质量的恒星在进入最终形态之前,在主序列上花费的时间最少。黑洞周围由蓝色伴星风吹来的物质吸积盘,已被扫入黑洞周围的轨道,不是不受阻碍地均匀地流入太空,而是来自恒星的风被强大的引力拉向黑洞,使它通过黑洞的风被破坏,引起湍流和盘外的涟漪。伴星本身也被黑洞的引力扭曲,恒星在黑洞的方向上略微伸展,导致它在该区域变得不那么密集,并且看起来更暗。

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