坍縮為黑洞前的第一件事：瘦身

超大質(zhì)量恒星就像是宇宙中的“搖滾巨星“——它們的威力十分強大，但生命卻短暫而絢爛。

插圖：一顆質(zhì)量極大的恒星正噴發(fā)出大量的物質(zhì)。（圖片創(chuàng)作于Canva）

那些最終會坍縮成黑洞的超大質(zhì)量恒星，在其短暫的一生中，拋射出的物質(zhì)可能遠超我們過去的想象。

為了與天文觀測中對這些質(zhì)量超過太陽100倍的恒星的觀測數(shù)據(jù)相符，有個科學家團隊估計，超大質(zhì)量恒星必須擁有比過去估計強大得多的恒星風。這些強大的恒星風足以將這些龐然巨物的外層吹入太空。

研究團隊的模型揭示了雙星系統(tǒng)如何導(dǎo)致恒星合并，從而鍛造出單一的超大質(zhì)量恒星。他們還探討了更強的恒星風如何影響黑洞群體，結(jié)果表明這不利于形成難以捉摸的中等質(zhì)量黑洞。

“超大質(zhì)量恒星就像宇宙中的‘搖滾巨星‘——它們強大，卻擁有短暫的生命，“意大利高等研究院研究員、團隊成員肯德爾·謝潑德說。“對這些超大質(zhì)量恒星來說，它們的恒星風更像是颶風，而非微風。“

與我們平均壽命約100億年的太陽不同，超大質(zhì)量恒星燃燒核燃料的速度更快，壽命只有幾百萬年，甚至幾十萬年。

謝潑德指出，研究這些龐然大物非常重要，因為盡管它們壽命短暫，卻對其周圍環(huán)境產(chǎn)生了深遠影響。“超大質(zhì)量恒星的強風和其最終的超新星爆炸，將新形成的元素拋射到環(huán)境中。其中許多元素構(gòu)成了新恒星的基礎(chǔ)，而其他元素，如碳和氧，則是生命的基石。它們也是黑洞的前身，包括那些地球上能探測到引力波的雙黑洞。“

搖滾巨星的正在“瘦身”

在這項新研究中，謝潑德和她的同事們分析了對超大質(zhì)量恒星的理論和觀測研究。

“如此巨大的恒星極為罕見，現(xiàn)有的觀測限制也很少，“謝潑德說。“借助太空和地面望遠鏡，研究人員最近終于首次直接觀測到了大麥哲倫云中蜘蛛星云內(nèi)的幾顆質(zhì)量超過太陽100倍的恒星?！?/p>

先前的研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛星云中最巨大的恒星是罕見、熾熱且明亮的沃爾夫-拉葉星亞型（WNh星），它們處于氫燃燒階段的末期，意味著其表面仍殘留有氫。

“人們發(fā)現(xiàn)這些恒星非常熱，大約在攝氏40，000到50，000度。這有點太熱了！“謝潑德解釋道。“標準模型預(yù)測，隨著恒星老化，它們應(yīng)該膨脹并冷卻，但這與新的觀測結(jié)果相反。研究人員將兩者結(jié)合起來，利用觀測到的特性來校準一個質(zhì)量損失的‘配方‘，從而將理論和觀測統(tǒng)一起來?！?/p>

蜘蛛星云位于南天劍魚座，距離地球16萬光年，是巨大熾熱恒星的家園。（圖源：Fred Herrmann | Owl Mountain Observatory）

研究團隊將這個配方納入他們的恒星演化代碼PARSEC，創(chuàng)建了一個新模型來解釋蜘蛛星云中的大質(zhì)量恒星。

謝潑德解釋說：“我們的新模型現(xiàn)在能夠匹配觀測和理論。強大的恒星風剝離了恒星的外層，阻止了它冷卻，同時保持了與WNh星匹配的表面成分。這顆恒星能更長時間地保持更緊湊和熾熱的狀態(tài)，完美再現(xiàn)了觀測結(jié)果?！?/p>

這幅構(gòu)想圖展示了年輕恒星的相對大小，范圍從質(zhì)量約為0。1個太陽質(zhì)量的最小紅矮星，到低質(zhì)量黃矮星（如太陽），再到質(zhì)量是太陽八倍的大質(zhì)量藍矮星，以及名為R136a1、質(zhì)量達300個太陽質(zhì)量的恒星。（圖源：歐洲南方天文臺）

團隊的研究表明，可能有兩種不同的途徑導(dǎo)致了像已知最重恒星R136a1這樣的恒星的誕生。這顆恒星同樣位于蜘蛛星云中，質(zhì)量可達太陽的230倍，釋放的能量比我們的太陽高數(shù)百萬倍。它只有150萬年的歷史，相比之下太陽已有46億歲。

團隊的模型表明，R136a1可能一開始就是一顆巨大的單一恒星，也可能是一次劇烈的恒星合并的結(jié)果。

謝潑德表示：“我驚訝地發(fā)現(xiàn)，我們的結(jié)果為已知最重恒星R136a1的起源提供了兩種截然不同的可能解釋。令我相當著迷的是，雙星合并——即兩顆恒星合并成一顆更重的單一恒星——可能是一個合理的起源。更有趣的是，在單星起源和雙星合并起源這兩種場景下，為重現(xiàn)R136a1所需的初始質(zhì)量存在差異?！?/p>

她補充說，對于一個單星起源來說，要與R136a1的特征匹配，其初始質(zhì)量需要超過100倍太陽質(zhì)量——這比雙星合并起源所需的初始質(zhì)量更大。這可能意味著，我們需要修正我們先前認為的、在局部宇宙中恒星質(zhì)量上限的理論。

恒星風如何影響黑洞形成？

強烈的恒星風及其導(dǎo)致的快速質(zhì)量流失，也對大質(zhì)量恒星在其生命末期因自身引力坍縮形成黑洞的質(zhì)量有著重要影響。

謝潑德說：“因為更強的恒星風剝離了恒星的大量質(zhì)量，所以在它們生命末期形成的黑洞會更小。這項研究可以極大地幫助預(yù)測黑洞質(zhì)量。使用標準和較弱質(zhì)量流失配方的恒星模型可能會產(chǎn)生中等質(zhì)量黑洞?！?/p>

這些質(zhì)量約為太陽100到10，000倍的黑洞，已被證明是天文學家難以尋覓的。

謝潑德表示：“通過讓恒星因更強的恒星風而流失更多質(zhì)量，模擬中產(chǎn)生的這類不確定天體更少，這使得我們的模型更符合自然界中的發(fā)現(xiàn)！“

藝術(shù)家繪制的示意圖展示了兩顆黑洞在距地球14億光年外，相互環(huán)繞并發(fā)生合并。這次合并產(chǎn)生了時空漣漪，即引力波。LIGO于2015年12月探測到這些引力波。（圖源：LIGO）

團隊還提出，與當前觀點相反，如果系統(tǒng)要演化成兩個黑洞質(zhì)量都超過太陽約30倍的雙黑洞，則需要更強的恒星風。

“更令人興奮的是，當我們查看模擬中合并的雙黑洞時，我們擁有更強恒星風的新模型能夠產(chǎn)生兩個黑洞都很大的系統(tǒng)，“謝潑德說?！斑@是令人興奮的，因為這是引力波探測器已經(jīng)觀測到的一個黑洞群體，而之前使用標準恒星風的模型卻難以模擬出來?！?/p>

在這些雙星系統(tǒng)中的兩個黑洞，在相互螺旋靠近并最終合并時，會發(fā)出被稱為引力波的微小時空漣漪。但強烈的恒星風可能是促成這種情況發(fā)展的關(guān)鍵。

謝潑德解釋說：“在較弱的標準恒星風作用下，兩顆恒星會膨脹，更可能在變成黑洞之前就合并。相比之下，更強的恒星風可以將兩顆恒星推開，使它們能夠作為一對黑洞幸存下來，隨后再螺旋靠近并合并。“

這項新研究專注于大麥哲倫云中的一個特定環(huán)境，該環(huán)境有其獨特的化學成分。因此，謝潑德表示，團隊的下一步將是嘗試解釋一些觀測到的奇特恒星。

謝潑德總結(jié)道：“這些結(jié)果還不是普遍適用的，因此自然的下一步將是把這項研究擴展到一系列不同的初始化學成分，以模擬宇宙中不同的環(huán)境?？纯搭A(yù)測的黑洞群體在這些不同的初始成分下如何變化，將是非常令人興奮的?！?/p>

BY:Robert Lea

FY:忙碌的北門

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

選文：天文志愿文章組-

翻譯：天文志愿文章組-忙碌的北門

審核：天文志愿文章組-

終審：天文志愿文章組-零度星系

排版：天文志愿文章組-零度星系

美觀：天文志愿文章組-

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https://www.space.com/astronomy/very-massive-stars-vomit-vast-amounts-of-matter-before-collapsing-into-black-holes

注意：所有信息數(shù)據(jù)龐大,難免出現(xiàn)錯誤,還請各位讀者海涵以及歡迎斧正.

本文由天文志愿文章組-忙碌的北門翻譯自文章作者Robert Lea的作品,如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán),請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除.

結(jié)束,感謝您的閱讀與關(guān)注

全文排版：天文在線(零度星系)

轉(zhuǎn)載請取得授權(quán),并注意保持完整性和注明出處

浩瀚宇宙無限寬廣 穹蒼之美盡收眼底