宇宙中最亮，最古怪恆星是什麼？

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】當科學家用最強大的望遠鏡觀察宇宙時，經常想到遙遠星系處於人類可以感知的天體物理極限。就平均而言，每個星系都有數千億顆恆星，而每顆恆星都有自己獨一無二的歷史。但如果想了解恆星在那裡的情況，就得近距離觀察。

圖註：圖展示的極高激發星雲由一個極其罕見的雙星系統提供能量的：一顆Wolf-Rayet恆星圍繞O型星旋轉。來自Wolf-Rayet中心成員的恆星風的強度與太陽系恆星的太陽風強度相當，在1000萬到10億倍之間，並且在12萬度的溫度下發光。（綠色超新星遺迹偏離中心是不相關的）這樣的系統估計最多只能代表宇宙中0.00003％的恆星。圖片版權：ESO

只有在我們自己相對較近的宇宙後院里，銀河系和其他星系中不超過幾百萬光年之外，才能詳細地解決單個恆星的問題。由於像Hipparcos，Pan-STARRS和Gaia任務這樣的大量研究調查，現已經能夠測量和分類數以百萬計的恆星。當科學家們看到所發現的東西時，其大多數都有一些共同點，除此之外還有一些異常值。

圖註：（現代的）Morgan-Keenan光譜分類系統，其上面顯示的每個星級的溫度範圍以開爾文為單位。今天絕大多數（75％）的恆星都是M級明星，只有1 / 800的超級星足夠大。然而像O星一樣熱的並不是整個宇宙中最炙熱的恆星， 有一些特殊的是所有最稀有的恆星之一。圖片信息及版權：Wikimedia Commons user LucasVB, additions by E. Siegel

通常情況下無論何時形成恆星，都是由氣體分子雲的崩潰引起的。雲碎片形成各種各樣的恆星：大量的低質量恆星，較少數量的高質量恆星，如果氣體雲足夠大，則可能更小但可能有相當數量的大質量恆星。所有的恆星都會將氫融合成氦，這就是恆星如何創造出能量的核能。通常科學家將這樣的恆星分成七個不同的類別，其中M級是最小最紅最冷的，而O級是最大最藍最熱的恆星。

圖註：我們所在的本超星系團中最大的新生恆星群R136包含目前發現的最重的恆星：超過250倍太陽質量的最大值。在接下來的1- 200萬年里，可能會有大量的超新星來自這個區域的天空。圖片信息及版權：NASA, ESA, and F. Paresce, INAF-IASF, Bologna, R. O"Connell, University of Virginia, Charlottesville, and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee

如果這就是宇宙所擁有這些類型恆星是孤立的，那麼就知道是如何演化的。單個的恆星會從所形成的分子雲變得儘可能大，元素冷卻，從引力坍縮升溫，直到聚變產生內部過程的輻射壓力達到了上限，然後：

1、質量最低的m級恆星為太陽質量的40%，會慢慢地將氫燃燒成氦，最終通過收縮變成氦白矮星而死亡

2、B級恆星的中級K級恆星為太陽質量的約40％至800％，將氫燃燒成氦後加熱使氦融入碳，成為紅色巨星，伴隨著碳最後死於行星狀星雲中/氧白矮星。

3、而最高質量的恆星，包括最重的B級和O級恆星，將超越氦氣融合的階段，如碳燃燒，氧氣燃燒，一直到硅燃燒，最後導致超新星爆炸，要麼是中子星，要麼是黑洞。

至少這是目前所知道的典型恆星演化圖。

圖註：來自哈勃望遠鏡的可見光/近紅外照片顯示出一顆大質量恆星，約為太陽質量的25倍，但它已經消失，然而沒有形成超新星，也沒有其他。直接崩潰形成黑洞是唯一合理的候選解釋。圖片信息及版權：NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

但還有一些古怪的。有超大質量的恆星直接坍縮成黑洞，沒有超新星。有一些恆星非常熱，它們在內部自發產生電子/正電子對，導致形成一種特殊的超新星。

圖註：這幅圖解釋了天文學家認為觸發超新星事件，稱為SN 2006gy的超超新星過程。當產生足夠高能量的光子時將產生電子/正電子對，引起壓力下降和失控反應，從而破壞恆星。圖片版權：NASA/CXC/M. Weiss

雙星系統中從伴星身上竊取了大量的物質，有時從一顆巨星上吸走了大量的氫。在一個還活著的巨星中心恆星應該有一個坍縮的物體，被稱為thornezytkow物體。有些年輕的恆星星表現出非常罕見的耀眼發光行為，比如像赫大哈羅天體或沃爾夫-雷特恆星。

圖註：圍繞著Wolf-Rayet恆星WR124的猛烈的恆星風創造了一個令人難以置信的星雲，被稱為M1-67。這些恆星如此動蕩，以至於它們的噴出物跨越了許多光年，噴出的氣體重量是地球的許多倍。圖片信息及版權：Hubble Legacy Archive, NASA, ESA; Processing: Judy Schmidt

尚未得到證實的是：有些恆星完全是由純粹由氫和氦組成的原始氣體雲組成的：宇宙中的第一顆恆星。來自這個時代的恆星可能會達到1000倍太陽質量，並且希望能夠由詹姆斯韋伯太空望遠鏡揭示出來，詹姆斯韋伯太空望遠鏡的構建部分是從早期階段開始破譯宇宙的秘密。

圖註：遙遠星系CR7的插圖，2016年它被發現可以容納有史以來最好的候選星，這些候選星是由來自大爆炸的原始材料形成的原始恆星群。發現的星系之一絕對是恆星，另一個可能還沒有形成。圖片版權：M. Kornmesser / ESO

那麼到目前為止我們知道什麼？我們期望在不久的將來能發現這些奇怪的天體呢？下面埃米莉列維斯克在太空研究所《宇宙中最怪異的物體》上的公開講座，也許是有史以來的第一次，使人處於一種獨特的狀態。

圖註：19世紀的「超新星爆炸」引發了一場巨大的噴發，將許多太陽的物質從埃塔·卡林尼(Eta Carinae)噴射到星際物質中。像太陽這樣高質量的恆星，就像銀河系一樣以一種在較小低金屬的星系中恆星的方式噴射出大量的質量。圖片信息及版權：Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA

例如我們是否會談論超大質量恆星在生命的盡頭髮生的事件？是否會碰到可能非常罕見的奇怪事情，如失敗的超新星（上圖）？

圖註：宇宙可能看起來像什麼樣的概念圖，因為這是宇宙形成第一顆恆星的時候。雖然還沒有直接的圖片，但射電天文學的新間接證據表明，當宇宙年齡在一億八千萬到兩億六千萬年之間時，這些恆星的存在就會出現。圖片信息及版權：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

還是會更專註於宇宙中的第一顆恆星：正在努力但希望發現的那種，那些由原始元素組成的星體？還不知道很多關於恆星的事情，包括不同階段如何形成。

圖註：太陽質量的恆星在H-R圖上的演化，從主序階段到融合結束，每個質量的恆星都會遵循不同的曲線。圖片信息及版權：Wikimedia Commons user Szczureq

也許會談論恆星潛在生命中短暫的，因此又稀奇古怪的階段？不是冒名頂替者，它是失敗的超新星（未能成功形成超新星）！

圖註：哈勃太空望遠鏡拍攝的蟹狀星雲光學複合/鑲嵌圖。不同的顏色對應不同的元素，並顯示氫，氧，硅等的存在，所有這些都是按質量分布的。圖片信息及版權：NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

大部分見過或聽說過的「奇怪」物體，比如螃蟹超新星遺迹

圖註：著名恆星的顏色星圖，最亮的紅巨星參宿四在右上角。圖片版權：歐洲南方天文台

一般情況下，恆星是如何運作的，當處於主要序列時會燃燒燃料，當在核心燃燒足夠的燃料並耗盡氫時，那就是進入紅色巨星或超級巨星階段......而這正是樂趣開始的地方。

圖註：今天的太陽和巨星相比是非常小的，但是在它的紅巨星階段，體積會增大到大角星的大小。像Antares這樣巨大的超級巨人將永遠無法超越太陽。圖片信息及版權：English Wikipedia author Sakurambo

確實如此：當變成這樣的恆星時，和現在的太陽變得非常不同。但這並不意味著真的很「奇怪」......這意味著正在服從 恆星演化的正常階段規律。從正常化的角度來看，這只是奇怪的。實際上「正常」是多種多樣的，在認為不正常的時刻：有許多正常的情況。

圖註：歐米茄星雲也被稱為梅西耶17，它是一個強烈而活躍的恆星形成區域，從邊緣看，這就解釋了它的塵埃和光束般的外觀。圖片信息及版權：ESO / VST survey

恆星和恆星演化的有趣之處在於這些非常巨大的恆星，即成為紅巨星的恆星，實際上是所有恆星的最短壽命。發現它們甚至在恆星形成的區域，因為它們在其核心的氫燃料中燃燒得如此之快，當它們膨脹時會冷卻，如此劇烈以至於它們能在外大氣層中形成穩定的分子(如二氧化鈦)。

圖註：所有恆星中最熱的o型星在許多情況下實際上都有較弱的吸收線，因為表面溫度足夠大，以至於它表面的大部分原子的能量都太大了，以至於無法顯示出吸收的特徵原子躍遷。圖片信息及版權：NOAO/AURA/NSF, modified by E. Siegel

有趣的是這些恆星大氣非常大「非常涼爽」，在邊緣形成的分子可以吸收藍光，優先將這些恆星的擬合溫度轉換為太低的值：理論上太冷的恆星不存在。這是一個有趣的研究，如果不能解釋所有的物理效應，包括奇怪的是恆星表面的分子，那得加油了！

圖註：這是一顆巨大的恆星在其生命周期內的解剖結構，當核心耗盡核燃料時，它最終形成了II型超新星。核聚變的最後階段是硅燃燒，在超新星爆發前的短暫時間內，在核心中產生鐵和鐵元素。圖片信息及版權：Nicole Rager Fuller/NSF

如何經歷恆星演化，然後變成超新星呢？為了阻止恆星抵抗重力崩潰，必須融合元素：輻射向外推力抵抗重力。當用盡氫融合，輻射開始失去，並引發重力崩潰，這意味著當被壓縮時會變熱，如果有足夠的質量，可以快速升溫，開始聚變氦。繼續下去：將氦與碳，碳融合成氧氣......一直到製造鐵，鎳和鈷。然後終於要死了。這很快：雖然這些不同階段的燃燒持續時間從幾天（如硅）到數千年（用於碳/氧）到數十萬（用於氦氣）...但超新星會在幾秒鐘內發生。

圖註：恆星V838 Monocerotis的噴發。圖片信息及版權：NASA, ESA and H.E. Bond (STScI

但不是所有事情都像你想像的那樣順利，艾米莉現在告訴我們關於發光的藍色變數，在生命的晚期階段就會拋出噴射物。這是一個有趣的過程，並沒有完全被理解：為什麼有些恆星（通常是那些擁有更多重元素的恆星）會這樣，而另一些卻沒有？這種開放性的問題是天文學和天體物理學的一部分，儘管我們都知道，它離終點還遠著呢！

圖註：中子星是宇宙中最密集的物質之一，但它們的質量有一個上限。超過上限，中子星將進一步坍縮形成黑洞。圖片信息及版權：ESO/Luís Cal?ada

像這樣的公眾演講的難點在於，當你對事物或現象進行研究調查時不可能深入到任何事情的深處。艾米莉談到了中子星，特別是那些脈衝星，但後來直接進入黑洞。為什麼？因為如果你想涵蓋所有內容，就不能花太多時間談論任何一件事情。因此會有很多問題在腦海里閃現，然後在進入下一個主題時就會迷失方向。

圖註：宇宙中一個非常高能量過程的例證：伽馬射線爆發。圖片信息及版權：NASA / D. Berry

人們開始觀測，大的/重要的望遠鏡就會指向想要探測的東西。這些後續的觀測，跨越不同的波長提供了大量的數據。數據而不是一個漂亮的圖片，告訴你有趣的物理/天體物理學和天文學。

圖註：位於距離1.3億光年的銀河NGC 4993之前曾多次成像。但在2017年8月17日檢測到引力波後，發現了一種新的瞬態光源：中子星與中子星合併的光學對應物。圖片信息及版權：P.K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam

這是過程中至關重要的部分：小心並確保看到所認為看到的是什麼。科學並不總是以第一或最快的速度出現，或者把所有的東西放在一起；這是關於儘可能地學習，並最終獲得正確的結果。這就是我們如何將引力波天文學，伽瑪射線天文學以及70多個天文台的多波長跟蹤結合起來。

圖註：室女座引力波探測器的鳥瞰圖，位於比薩（義大利）附近的Cascina。室女座是一個巨型邁克爾遜激光干涉儀，其臂長為3公里，並補充了雙4公里LIGO探測器。圖片信息及版權：Nicola Baldocchi / Virgo Collaboration

談論引力波天文學是多麼令人興奮 。沒錯有一次純粹是在物理學領域，然後是天體物理學，這讓天文學家們認為這是真正的天文學。這不僅僅是物理學，而不是天文學家不再需要望遠鏡來做天文學了！很重要的一點是這些敏感的、短暫的事件，這些事件很快就發生了，就像時域天文學一樣。換句話說，當時間是至關重要的時候，你必須要去看，因為如果沒有抓住機會去獲取那些數據，就會錯過它！

圖註：圖像右側可見的太陽耀斑發生在磁場線分裂並重新連接時，比現有理論預測的要快得多。圖片信息及版權：NASA

同樣重要的是，要認識到有時會出現誤報。例如鉀耀星，誰看到星星閃爍並散發出鉀的特徵？答案是一個望遠鏡在法國，而沒有其他的。這不是由於恆星中的鉀，而是由於探測器室內有鉀 。但是......事實證明，可能有真正的鉀耀星，因為不吸煙者觀察到類似的特徵。

如果你沒有考慮到某個來源造成的影響，那麼很容易欺騙到自己，但這並不意味著看到的效果實際上並不真實！例如在帕克斯無線電台，在午餐時間使用微波爐，並打開門，引起無線電波短暫的閃光，使人們認為他們看到了一個快速的無線電爆炸，但不是的，這是微波爐。然而......快速的射頻爆發是真實的，現在對它們有了更多的了解，並且看到了一堆！

這裡有一個有趣的想法：如果有一個雙星系統，兩者都很大並且會超新星會發生什麼？那麼一個會先走，也許會產生一顆中子星，如果他們進入並融合會發生什麼？中子星將沉入核心，所以會得到一顆紅色超巨星（最終）的核心是一顆中子星。這就是Thorne-Zyktow的一個對象，它可以非常明確地預測將在表面觀察到什麼！

圖註：這是一個thornezyktow的目標應該做的事情，其中70分之一的觀測紅超巨星顯示出所期望的光譜特徵。圖片信息及版權：Screenshot from Emily Levesque"s Perimeter Institute lecture

有趣的是，這是核物理、熱物理和化學的結合……當一個原子核接觸到中子星的表面時只停留在那裡大約10毫秒，並且會產生一個我們在其他地方看不到的化學信號。可以在極少數的紅巨星中發現這種奇怪的，預測的化學特徵。必須確保沒有其他模擬的預期的效果，即使觀察完全符合理論，也需要從多個對象和多條證據中得到確認。科學家的工作方式就是這樣：必須壓倒性地說服自己，而不是可能的說服力。

圖註：超新星遺迹1987a位於大麥哲倫雲大約165000光年遠。事實上中微子在第一個光信號出現幾個小時之前就已經告訴了我們更多關於光通過恆星的超新星層傳播的持續時間的事實，而不是關於速度中微子行進的速度，這與光速無法區分。光和引力波似乎都以相同的速度傳播。圖片信息及版權：Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

恆星天文學家有一個很大的期望：在有生之年的某一天有一顆超新星，可以用肉眼觀察到的超新星。自1604年以來還沒有一個來自地球的人見過......但可以隨時獲得一個，如果你認為月食是壯觀的......想像一下這將是什麼樣子！

圖註：一些古怪的天體......其中許多是插圖或模擬，但其中一些是實際的照片（螃蟹星雲（超新星遺迹）是真實的）（Eta carina是一個發光的藍色變數（真實）周圍的彈射星雲）（雙星的其中一顆是中子星增生物質（插圖））（伽馬射線爆發（插圖）（Thorne-Zyktow對象（模擬））。圖片信息及版權：E. Levesque / Perimeter

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Emily gave a public lecture

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes Science

編譯：公子世無雙

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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