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哈勃爆炸性新闻:发现恒星的重生  

2016-09-26 10:27:18|  分类: 科学发现 |  标签: |举报 |字号 订阅

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哈勃爆炸性新闻:发现恒星的重生

2016.9.13:天文学家借助美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜(HST),已经能够实时研究恒星的演化。在过去30年间,他们注意到恒星SAO 244567的(表面)温度在急速上升。现在,他们发现它又变冷了,再次回复到恒星演化的早期阶段(“重生”)。这使得它成为观测到的首颗经历过变热变冷两个过程的再生恒星。

哈勃拍摄的黄貂鱼星云,编号Hen 1357。大图:101KB,版权:NASA、ESA,研究者团队;下同。

本图由哈勃第二代广域行星相机(WFPC2)拍摄于1992年,配色如下:487nm(纳米)、502nm的蓝光,蓝;555nm、588nm的黄绿光,青;631nm、656nm的红光(氢的H-α线),黄;658nm的红光(氮电离线N[Ⅱ]),橙;673nm的红光(硫电离线S[Ⅱ]),红。图像视场大小:0.12×0.12角分。

SAO 244567位于南天的天坛座,是Stingray Nebula(刺魟星云,也译为黄貂鱼星云,此前作为标准行星状星云对待)的中心恒星(图中较亮的那颗),天球坐标:赤经17时16分21.07秒,赤纬-59°29′23.28″,离地球约2700光年。最近45年来,天文学界一直在观测其演化。从1971年到2002年的短短30年间,其表面温度蹿升了4万℃。现在,哈勃的宇宙起源光谱仪(COS)的新观测显示,它开始重新膨胀变冷。

虽然宇宙在不断演化,但是绝大部分的过程实在太慢,在人的一生中根本看不出变化。但是,现在一个国际天文学家团队发现了此规则的例外。研究报告首席作者、英国莱斯特大学兼德国Eberhard Karls大学的Nicole Reindl解说:“SAO 244567是一个极罕见的事例,让我们得以目击恒星的演化过程。仅仅过去30年,恒星的表面温度就上升了2倍;而我们现在看到的外围的刺魟星云,很可能是被恒星电离的以前抛出的气壳。”(从最后的视频可知,上升幅度为4万K,也就是4万℃。足够高的表面温度才能产生大量的紫外线,电离气壳发光。在1971年前,该星云被称为预行星状星云,因为气体尚未发光,只是散射、反射星光。译注)

虽然称不上前所未见,这绝非寻常(注1)。SAO 244567的表面温度快速上升,可以简单解释为初始质量约为3-4个太阳的恒星的后期演化;但是,其他观测数据显示其初始质量应该与太阳差不多。这类小质量恒星的演化时标通常极长,因此其在短短数十年间的温度飙升就成了谜。

恒星光谱的对比,右图为哈勃COS在2015年拍摄的光谱,黑实线是实际光谱,蓝线、红线分别对应5万、6万K的理论光谱。其中右方的硅电离线Si Ⅲ,在更高温的2002、2006年中看不见。

退回2014年,Reindl和她的团队成员,提出了一个假说以解释SAO 244567这类小质量恒星的表面温度快速上升问题。他们假设,温度飙升是因为恒星的氦闪事件——恒星内核外的氦壳层发生的短暂而快速的聚变(注2)。

该假说非常清楚地预言了该恒星的未来:假如它真的经历了氦闪事件,那么中心恒星必定会(受热)膨胀而再次变冷——它将再次回到以前观测到的演化阶段。这点正好被新观测所证实。Reindl继续解释:“氦闪释放的核能迫使已经相当致密的恒星再次膨胀回红巨星阶段——所谓的重生方案。”

SAO 244567并非唯一处于该阶段的恒星样本,但是它是首个被观测确认经历了变热和变冷阶段的恒星。

当前的恒星演化模型还不能完全解释这颗恒星的运行,故此Reindl煞费苦心地总结说:“我们还需要仔细分析SAO 244567演化中的某些神秘细节。这不但能帮助我们更好地理解这颗恒星本身,还能更深了解行星状星云的中央恒星的演变。”

不同质量恒星的后期演化示意图,纵轴是表面温度,单位千K。黑圈、黑点是实际观测值,红、粉红、绿、蓝点等表示不同实际质量的AGB星的理论演化(恒星从红巨星缩小时,表面温度会巨幅上升;显然该恒星质量在0.53-0.56太阳质量之间);下方的蓝色横线是0.50个太阳质量的红矮星(表面温度仅为2500℃,图中表示为2750K)。

在天文学家发展出更多的恒星演化的细化模型前,这颗恒星的演化,仍将是个谜。

团队研究报告发表在最新的(英国)《皇家天文学会月刊》(MNRAS)上,标题:“哈勃爆炸性新闻:刺魟星云的中央恒星重新回到渐进巨星分支阶段” 。

附注

1、已发现经历过氦闪事件的另一例恒星是天箭座FG,它位于不出名的天箭座中,是一颗超巨星(外围有类似的气壳);SAO 244567因此是第二例。另外,处于所谓重生阶段的恒星案例还有人马座(两个星座的英文名很像)的樱井天体(类似于本例,原先当做行星状星云中心的白矮星)。

说明中心恒星变化的视频截图,视频中1971年的爆闪就是氦闪。图中最左边标识的是温度,中间标识的是半径(与太阳比),右方标识的是年。大图:10.8MB,视频链接:44MB

2、氦闪事件在恒星演化中也称为晚期热脉冲(LTP),发生在大约25%的小到中等质量恒星(此处基本上指0.5—4个太阳质量的那类恒星,译注)的晚期。随着它们离开以核心氢聚变支撑的主星序并进入以氦聚变支持的红巨星阶段,恒星将发生剧烈膨胀。该过程中恒星的化学组成和物理特性都将发生各种改变。红巨星阶段以核心大部分的氦变成碳和氧结束,恒星从外到内,变成氢、氦、碳氧等多层结构。核心外的氦壳层的聚变,很快就会因密度不够而中止。接着恒星因没有足够能量支持外壳而开始收缩,收缩后,首先点燃了核心外层的氢,当足够的氢聚变为氦,氦壳层突然再次聚变,短时间释放的大量能量使得恒星又一次膨胀、变冷但却短暂地变亮。这个热脉冲阶段会多次发生,每一次都会导致最外层的气壳脱离恒星引力控制,而内核在一次次收缩中逐渐变成白矮星(内核没有足够高的温度来点燃碳聚变,也没有其他产能手段来对抗引力)。这个阶段的恒星,在赫罗图上处于渐进巨星分支,简称AGB。

参与研究的其他团队成员包括:德国Eberhard Karls大学的T. Rauch、K. Werner,德国波茨坦大学的H. Todt,阿根廷拉普拉塔国立大学研究理事会(UNLP-CONICET)的M. M. Miller Bertolami等。

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