最大恆星能頂265個太陽,這得有多大啊!

  天文學家並不確定恆星的規模能達到多大,但如果有合適的環境,它們的體積或許會遠遠超乎我們的想像。

  夜空中閃爍的星光看上去似乎只是針眼般的光亮,但實際上它們非常巨大。離我們近的恆星太陽,其質量大約為2×1030千克。如果地球的質量相當於一個紙夾,那麼太陽的質量就相當於一輛哈雷摩托。

  不過,儘管質量不小,但太陽只是在平均水準之上一點而已。比太陽質量重8倍以上的恆星約占恆星總數的1%,而在銀河系內,就有許多恆星的質量相當於一、兩百個太陽。已知大的恆星被稱為R136a1,質量接近265個太陽。它是如此之重,以致於天文學家在2010年發現它的時候,被迫重新思考有關恆星能達到多大的理論。

  這反過來也使我們要重新審視有關第一批恆星如何形成的觀點。研究結果發現,第一批恆星中,有一些在大爆炸之後僅僅2億年就已經出現,其質量甚至能達到太陽的10萬倍,這使它們成為宇宙誕生以來大型的恆星。那麼問題來了,R136a1和這些原始恆星是如何變得如此巨大的呢?

  瞭解恆星的質量不僅是為了滿足好奇心。可以說,這是恆星為重要的一個特徵,決定了它如何發展和死亡。

  恆星是一個巨大的熱氣體球,體積之大使得引力能將氣體聚攏在一起。另一方面,巨大的引力也使得恆星的核心變得極端密集,具有極高的溫度,從而引發核聚變。成對的原子核互相撞擊、聚合,形成更重的原子,同時產生大量的熱和向外推動的壓力。

  恆星的生命就維繫於引力和壓力之間的這種平衡。一旦燃料用盡,核聚變停止,恆星就無法阻止自己塌縮的命運。恆星的命運以及燃料有多快用完就取決於它本身的質量。

  質量相當於數十個太陽的大型恆星燃燒得明亮且快速。它們的生命只有幾億年,然後就會以超新星的形式爆發,留下密度極大的新型天體,如黑洞或中子星。相比之下,像太陽這樣較小的恆星可以穩定燃燒數十億年,之後逐漸演變成白矮星。

  根據相對簡單的計算,小的恆星可能只有大約0.8個太陽的質量。這樣的恆星堪堪足夠引發核聚變。任何比此更小的“恆星”只能稱為氣體球。

  然而,儘管天文學家對恆星質量的下限較有把握,但質量範圍的另一端依然十分模糊。美國奧斯汀市德克薩斯大學的天體物理學家弗爾克爾·布魯姆(Volker Bromm)說:“這確實是天體物理學中一個很大的未解難題。”

  在不遠的十年之前,天文學家認為目前宇宙中大恆星的質量大約相當於150個太陽。英國謝菲爾德大學的保羅·柯勞瑟(Paul Crowther)說:“有很好的證據--無論是理論和觀測--表明,存在一個上限。”

  你要很幸運才能觀測到一個質量非常大的恆星,因為它們的壽命十分短暫。質量相當於一百個太陽或者更大的恆星,可能還在幾百萬年裡死亡,在宇宙尺度上這是一眨眼的事情。一個有可能觀測到這種恆星的地方是圓拱星團(Arches Cluster),這是銀河系中為擁擠的一個恆星集群。

  從觀測結果看,圓拱星團形成的時間相對較近,其中大多數巨型恆星都還沒有死亡。在這些恆星周圍,還存在著大量恆星形成所需的物質,提供了有利於巨型恆星形成發展的環境。不過,天文學家並沒有找到質量超過150個太陽的恆星。科學家認為,恆星不可能達到這麼重。

  在某個時刻,恆星會達到一個非常巨大的規模,亮度極高,以致於它的輻射會將外層物質衝散,導致無法再繼續增長。這種自然的質量上限稱為“愛丁頓極限”(Eddington Limit),計算結果顯示這一極限接近150個太陽的質量。

  然而,2010年時,柯勞瑟和一個天文學家團隊對另一個更大的星團--R136星團--進行了研究。他們發現,不止一顆恆星的質量超過150個太陽的質量,其中最引人注目的是一顆被稱為“R136a1”的恆星,其質量達到了驚人的265個太陽質量。而且,它誕生的時候可能還更重。

  R136a1是一顆沃爾夫-拉葉星,這意味著它十分巨大、明亮而且溫度極高,強烈的輻射會不斷逐出最外層的物質。它的溫度達到53000攝氏度,亮度是太陽的接近1000萬倍。即使目前它還很年輕,只有一百多萬年,但它已經失去了大約相當於50個太陽的物質。換句話說,R136a1曾經的重量超過了300個太陽,遠遠超過150個太陽質量的上限。

  後來的研究表明,超出這個上限並不是問題。柯勞瑟說,以前對愛丁頓極限的估計是相對粗糙的,更加詳細的計算揭示出,恆星可以更大--至少是在理論上。就圓拱星團而言,天文學家已經發現,該星團的年齡與此前預計的大得多,這意味著真正巨大的恆星早就已經死亡。然而,R136星團足夠年輕,其最初的恆星依然還在發光發熱。

  儘管如此,像R136a1這樣巨大的恆星還是十分罕見。柯勞瑟稱,銀河系中如此巨大的恆星可能屈指可數。“最大的問題是,它們是怎麼變得這麼巨大的?”他說道。

  成長中的恆星需要時間進行質量的積累。類似太陽這樣的恆星,需要大約1000萬年才行形成;而像R136a1這樣只活躍幾百萬年的巨型恆星,必須在短短的幾十萬年裡形成--在宇宙尺度上這就在一瞬間。

  沒有人知道確切的過程。一個觀點認為,這些極大的恆星是在低溫、密集的氣體纖維碰撞時形成的。過去幾年裡,歐洲的赫歇爾太空天文台已經觀測到銀河系中這類纖維結構的存在,每一個結構的跨度都可達數光年。

  當這些纖維結構碰撞融合時,會形成密集的氣體囊,再塌縮形成恆星,從而在極短時間內形成整個星團。大部分新恆星應該較小,一些可能相對較大,只有極少的幾顆會像R136a1這麼大。

  不過,我們很難瞭解這一過程是怎麼發生的。柯勞瑟說:“我們對細節的瞭解還只是皮毛。”巨型恆星形成的區域還十分模糊,隱藏在厚厚的星際塵埃雲之後,因此即使是最強大的望遠鏡也難以觀測發生了什麼。

  巨型恆星也可能是兩顆互相環繞運行的恆星碰撞、融合而形成。大部分質量較大的恆星會成對出現,因此,如果有這樣一對恆星,各自質量都約為數十倍的太陽質量,那它們的融合就將形成一個極為巨大的新恆星。

  像R136a1如此巨大的恆星如何形成還是個謎,但宇宙最初的恆星更加神秘,它們才是真正的巨大無比。最早在大爆炸之後2億年左右,星光出現了。當時,氫和氦的氣體雲塌縮形成了宇宙最初的恆星。

  與現在的恆星不同,最初這些恆星都非常巨大,大部分的質量都相當於數十個太陽,有些能達到100或200個太陽的質量。由於宇宙環境的差異,它們能夠膨脹。特別要指出的是,當時並沒有較重的化學元素。

  重的化學元素很重要,因為它們有助於氣體雲的冷卻。在高溫氣體中,原子會快速移動並碰撞、結合。較重的元素能將這種碰撞的能量轉化為光,輻射出去。這就意味著熱量的逸失。

  不過,重元素並不總是存在。它們是在恆星內部的核聚變中“鍛造”出來的,也產生於巨型恆星的爆發式死亡過程中。經過一代又一代恆星的成長、死亡,形成了我們今天宇宙中發現的所有元素。當恆星剛開始出現時,只有氫和氦,以及少量的鋰。

  在沒有重元素的情況下,氣體雲冷卻的過程就沒那麼容易,這使它們很難塌縮形成恆星。為了補償,在獲得足夠的引力以引發塌縮之前,每個氣體雲必須增長得更大。由此產生的恆星會比現在的恆星大得多。

  不過,幾十年來,還沒有人能確定它們會比現在的恆星大多少。近年來,天文學家有了一個令人困惑的發現,顯示這些恆星可能顯著地大於今天的恆星。他們發現了存在於大爆炸之後10億年時的類星體。

  類星體是巨大的明亮天體,每個類星體的能量都來自一個數百萬倍或數十億倍於太陽大小的黑洞。黑洞會吸收一個由塵埃和氣體組成的旋盤,同時釋放出巨大的能量。令人費解的地方在於,這些超大黑洞是怎麼在那裡出現的?

  黑洞形成於恆星耗盡燃料並塌縮之後。一個黑洞要成為超大黑洞,需要吞噬周圍大量的物質--以氣體和塵埃的形式存在,或者與其他黑洞融合。問題在於,這些類星體在宇宙歷史很早的時候就已經出現,使得超大黑洞需要在極短的時間內獲得足夠的質量。根據理論推斷和計算機模擬,即使相當於數百個太陽質量的恆星都無法在這麼短的時間內發展成超大黑洞。

  對此難題有一個解釋,但涉及到真正巨無霸的恆星,質量達到十萬個太陽質量以上。在這種恆星面前,R136a1也是微不足道。

  計算機模擬顯示,100萬個太陽質量的氣體雲能塌縮形成一個10萬倍太陽質量的恆星。必須要有合適的條件:沒有重的元素和大量的紫外輻射,後者會阻礙氣體雲的冷卻。如此巨大的恆星將很不穩定,而且可能立即塌縮成一個黑洞。通過吸收塵埃和氣體,或者與其他黑洞融合,這個黑洞的質量逐漸增加,直到足夠為一個類星體提供能量。

  “我們的計算機在生成這些天體時非常耐心,”澳大利亞莫納什大學的亞歷山大·黑格(Alexander Heger)說,“但它們是否真的存在,我們沒有直接的證據。它們目前都只存在於理論上。”

  我們是有可能獲得一些直接證據的,如果我們能觀測到黑洞形成的話。當兩個黑洞碰撞時,它們引發的時空振蕩成為引力波。歐洲的激光干涉空間天線(eLISA)應該能夠探測到這些引力波,這個空間天文台將在2028年之後的某個時間發射升空。通過測量引力波,天文學家可以確定融合中黑洞的質量,以及它們是否來源於超大質量的恆星。

  天文學家還在等待下一代的望遠鏡,包括詹姆斯·韋伯空間望遠鏡、30米望遠鏡、歐洲極大望遠鏡和大麥哲倫望遠鏡。這些空間天文台能夠發現源自超大質量恆星的第一批黑洞。它們甚至可能捕捉到恆星塌縮成黑洞的過程。

  這樣的發現將是突破性的。通過瞭解最初的恆星能達到多大的規模,天文學家可以描繪出最初星系的模樣。“最初恆星的性質,以及它們能達到多大,這些問題能告訴你宇宙歷史中一個非常特別的時刻,”布魯姆說,“在那之前,宇宙是一個簡單、無趣的地方。”舉個例子,“那裡沒有任何光源。”

  閃爍的星光並不微弱。傳唱的童謠中有一點是對的:我們依舊在猜測它們是什麼。




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