恒星温度天花板？死到临头的沃尔夫-拉叶星
2023 年 3 月 14 日，韋伯公布了一張罕見的恒星照片，這張照片結(jié)合了近紅外（NIRCam）和中紅外（MIRI）影像，展示了一顆正處于演化末期即將爆發(fā)成超新星的大質(zhì)量恒星 ——WR 124。既然還沒爆發(fā)，那這片星云又是怎么回事呢？
1938 年，天文學(xué)家在人馬座方向發(fā)現(xiàn)了一個(gè)噴射狀的星云（M1-67）。半個(gè)世紀(jì)后，通過哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片，人們終于看清了這個(gè)上萬光年外的星云樣貌。從擴(kuò)散的形態(tài)可以看出，這里似乎發(fā)生過某種爆炸。
2010 年，在一項(xiàng)針對(duì)該星云的研究中，研究人員通過兩組間隔 11 年的圖像計(jì)算其膨脹速率，從而推測(cè)出爆炸大約發(fā)生在一萬年前。
很明顯，爆炸應(yīng)該源于星云中的那顆恒星。沒錯(cuò)，它現(xiàn)在仍然是一顆恒星，還未坍縮成中子星或黑洞。那也就是說，先前的爆炸并非是超新星爆發(fā)。那這顆恒星究竟發(fā)生了什么呢？
了解恒星自然免不了對(duì)其光譜的研究，而這顆恒星的光譜著實(shí)有些特殊。
恒星的光譜主要是恒星大氣中的光球?qū)?/strong>發(fā)出的。通常來說，絕大多數(shù)恒星的光譜都是氫多而重元素少。因?yàn)橹卦匾话愣技性诤阈堑暮诵牟课唬鈱又饕詺錇橹鳌Ｓ捎诤阈峭鈱訙囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于核心溫度（比如太陽雖然內(nèi)部可以達(dá)到 1500 萬度，但是它的表面卻只有區(qū)區(qū)幾千度），在這種“低溫”情況下物質(zhì)更傾向于吸收光，反應(yīng)在光譜中就是連續(xù)的光譜會(huì)出現(xiàn)一些暗線的缺口，這些缺口對(duì)應(yīng)的就是這部分光被什么元素吸收了，這種光譜也被稱為吸收光譜。所以，根據(jù)恒星的吸收光譜，我們就能推斷出這顆恒星的大氣中都有哪些元素。
通常的恒星光譜就像在光譜上扣掉了幾條線，但是這顆恒星的光譜則像是往上貼了幾條線。對(duì)，就像做了個(gè)遮罩一樣，完全反了過來。之前的吸收光譜是因?yàn)樵匚樟斯饩€，那這種光譜顯然是元素主動(dòng)發(fā)射出了光線，因此它也叫發(fā)射光譜。
要讓物質(zhì)產(chǎn)生發(fā)射光譜，通常需要極高的溫度，而這正是這顆恒星的其中一個(gè)特殊之處 —— 異常高的表面溫度。
通常來說，恒星質(zhì)量越大溫度也就越高。大約 99% 的恒星表面溫度都在幾千度，只有那些幾倍太陽質(zhì)量以上的大塊頭（B 型或 O 型恒星），它們的表面溫度才有可能達(dá)到上萬度。這顆恒星正是這樣一個(gè)擁有著 20 倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星，其表面溫度超過了 40000 度！足足是太陽的 7 倍！
而且從發(fā)射譜線上看，這顆恒星的大氣中似乎缺乏氫，取而代之的是氦、氮甚至是碳、氧等重元素。可是這些重元素靠的是核聚變，只能由恒星的內(nèi)部產(chǎn)生，不應(yīng)該出現(xiàn)在外層大氣中呀。這也是這顆恒星的另一個(gè)特殊之處。
這種有著超高表面溫度且具有氦、氮等發(fā)射譜線的大質(zhì)量恒星就是著名的沃爾夫-拉葉星（WR 星）。
其實(shí)沃爾夫-拉葉星最早在 1867 年就被查爾斯?沃爾夫和喬治?拉葉發(fā)現(xiàn)了，但由于其光譜的特殊性，其中的謎團(tuán)一直到幾十年后才被人們解開，至此“沃爾夫-拉葉星”的名字才被確立。
既然沃爾夫-拉葉星又大又熱，說明它離死亡也不遠(yuǎn)了。為什么呢？因?yàn)樗艽盗?！沒錯(cuò)，就是物理意義上的“能吹”。
沃爾夫-拉葉星通常是大質(zhì)量的 O 型恒星在演化末期的一個(gè)特殊階段。隨著核心的重核聚變，恒星內(nèi)部的溫度越來越高，這會(huì)導(dǎo)致外層的氫也跟著開始瘋狂聚變。過程中產(chǎn)生的輻射壓會(huì)把外層物質(zhì)向外推，從而導(dǎo)致恒星膨脹。隨著物質(zhì)向外膨脹，引力逐漸減弱，于是表層物質(zhì)就特別容易被吹走。最終導(dǎo)致的結(jié)果就是內(nèi)部的重元素暴露了出來，這也是為什么它的光譜中缺乏氫而富含重元素。
恒星風(fēng)就像個(gè)吹風(fēng)機(jī)，它能夠持續(xù)穩(wěn)定的把外層物質(zhì)吹散。不過該方式雖然穩(wěn)定，但是效率不高，只有太陽這類小質(zhì)量恒星才會(huì)主要采用。
如果恒星再大一些，它的輻射壓會(huì)更強(qiáng)，同時(shí)它的溫度和光度也會(huì)更高。當(dāng)光度超過愛丁頓極限時(shí)，恒星的流體靜力平衡開始被打破，外層大氣會(huì)出現(xiàn)流體不穩(wěn)定性。導(dǎo)致的結(jié)果是外層物質(zhì)不用再靠恒星風(fēng)，僅靠輻射壓就能擺脫引力束縛。于是恒星的部分外殼開始成塊地脫落，同時(shí)引發(fā)一系列劇烈的表面物質(zhì)拋射。
還記得之前說過的參宿四變暗嗎？雖然參宿四還沒有走到沃爾夫-拉葉星這個(gè)階段，但它已經(jīng)成了紅超巨星，等于是土埋脖子了。上次突然變暗就是因?yàn)樗墓馇驅(qū)拥袅艘淮髩K物質(zhì)，這塊物質(zhì)通過撕裂的色球?qū)又苯訃娏顺鰜戆押阈堑墓鈸踝×恕?/p>
今天說的這顆沃爾夫-拉葉星也是類似，它周圍團(tuán)塊狀的星云就來源于其噴射出的外層物質(zhì)，而這些物質(zhì)的質(zhì)量頂?shù)纳?10 個(gè)太陽。短時(shí)間內(nèi)損失如此多的質(zhì)量，可見這里的物質(zhì)拋射有多劇烈。
除了輻射壓更強(qiáng)以外，對(duì)于高速自轉(zhuǎn)的恒星，它們可以把自己甩成一個(gè)橢圓形的球，兩極扁、赤道寬。這種情況下赤道部位的物質(zhì)很容易被甩出，這也是恒星外層物質(zhì)被拋射的原因之一。
其實(shí)除了恒星自身的原因，理論上如果它在一個(gè)雙星系統(tǒng)中，那么之前說的那種伴星對(duì)它的吸積和剝離也可能是產(chǎn)生沃爾夫-拉葉星的一個(gè)途徑。
不管哪種方式，最終恒星將幾乎喪失外層所有的氫，只剩下核心。如果是太陽這種小質(zhì)量恒星，核心會(huì)非常小，以至于不能再發(fā)生任何聚變反應(yīng)，也就是我們說的白矮星。
但是對(duì)于大質(zhì)量恒星來說，即使只有核心，它的質(zhì)量仍然很大，大到即使是碳、氧這種重核聚變?nèi)匀豢梢哉粘＿M(jìn)行。加上部分聚變反應(yīng)已經(jīng)很靠近上層，這時(shí)恒星的表面溫度變得非常非常高。
有多高呢？目前已發(fā)現(xiàn)的溫度最高的沃爾夫-拉葉星，是同樣位于人馬座的 WR 102，其表面溫度高達(dá) 210000 度！可以稱得上是主序星界的天花板。
對(duì)于如此高溫的恒星，其亮度自然也沒的說。根據(jù)模型計(jì)算，WR 102 的光度大概是太陽的 28 萬倍。不過由于這種恒星的輻射高峰已經(jīng)飆到了可見光以外的紫外區(qū)，所以理論上用肉眼看的話并不會(huì)那么亮。
但是作為“明星”，一旦“紅得發(fā)紫”，那么危險(xiǎn)離它也就不遠(yuǎn)了。
對(duì)于這種已經(jīng)有點(diǎn)兒暴露內(nèi)核的恒星來說，它們的密度已經(jīng)非常高了，屬于致密恒星。就拿 WR 102 來說，它的半徑只有太陽的一半，但是質(zhì)量是太陽的 16 倍，平均密度將近太陽的 100 倍，可見它已經(jīng)處于極度壓縮的狀態(tài)。根據(jù)天文學(xué)家計(jì)算，在未來的 1500 年內(nèi)它將成為一顆超新星，以中子星或黑洞的方式結(jié)束自己的恒星生涯。
本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
總結(jié)
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