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(qiáng)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(huì)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(yuǎn)超我們過去的想象。

為了與天文觀測(cè)中對(duì)這些質(zhì)量超過太陽(yáng)100倍的恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)相符，有個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)估計(jì)，超大質(zhì)量恒星必須擁有比過去估計(jì)強(qiáng)大得多的恒星風(fēng)。這些強(qiáng)大的恒星風(fēng)足以將這些龐然巨物的外層吹入太空。

研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)的恒星風(fēng)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(qiáng)大，卻擁有短暫的生命，“意大利高等研究院研究員、團(tuán)隊(duì)成員肯德爾·謝潑德說。“對(duì)這些超大質(zhì)量恒星來(lái)說，它們的恒星風(fēng)更像是颶風(fēng)，而非微風(fēng)。“

與我們平均壽命約100億年的太陽(yáng)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(wàn)年，甚至幾十萬(wàn)年。

謝潑德指出，研究這些龐然大物非常重要，因?yàn)楸M管它們壽命短暫，卻對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。“超大質(zhì)量恒星的強(qiáng)風(fēng)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(cè)到引力波的雙黑洞。“

搖滾巨星的正在“瘦身”

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

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

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(diǎn)太熱了！“謝潑德解釋道。“標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)，隨著恒星老化，它們應(yīng)該膨脹并冷卻，但這與新的觀測(cè)結(jié)果相反。研究人員將兩者結(jié)合起來(lái)，利用觀測(cè)到的特性來(lái)校準(zhǔn)一個(gè)質(zhì)量損失的‘配方‘，從而將理論和觀測(cè)統(tǒng)一起來(lái)。“

蜘蛛星云位于南天劍魚座，距離地球16萬(wàn)光年，是巨大熾熱恒星的家園。（圖源：Fred Herrmann | Owl Mountain Observatory）

研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)配方納入他們的恒星演化代碼PARSEC，創(chuàng)建了一個(gè)新模型來(lái)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(cè)和理論。強(qiáng)大的恒星風(fēng)剝離了恒星的外層，阻止了它冷卻，同時(shí)保持了與WNh星匹配的表面成分。這顆恒星能更長(zhǎng)時(shí)間地保持更緊湊和熾熱的狀態(tài)，完美再現(xiàn)了觀測(cè)結(jié)果。“

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

團(tuán)隊(duì)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(dá)太陽(yáng)的230倍，釋放的能量比我們的太陽(yáng)高數(shù)百萬(wàn)倍。它只有150萬(wàn)年的歷史，相比之下太陽(yáng)已有46億歲。

團(tuán)隊(duì)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(dāng)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(gè)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(chǎng)景下，為重現(xiàn)R136a1所需的初始質(zhì)量存在差異。“

她補(bǔ)充說，對(duì)于一個(gè)單星起源來(lái)說，要與R136a1的特征匹配，其初始質(zhì)量需要超過100倍太陽(yáng)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(rèn)為的、在局部宇宙中恒星質(zhì)量上限的理論。

恒星風(fēng)如何影響黑洞形成？

強(qiáng)烈的恒星風(fēng)及其導(dǎo)致的快速質(zhì)量流失，也對(duì)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?yàn)楦鼜?qiáng)的恒星風(fēng)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(huì)更小。這項(xiàng)研究可以極大地幫助預(yù)測(cè)黑洞質(zhì)量。使用標(biāo)準(zhǔn)和較弱質(zhì)量流失配方的恒星模型可能會(huì)產(chǎn)生中等質(zhì)量黑洞。“

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

謝潑德表示：“通過讓恒星因更強(qiáng)的恒星風(fēng)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(shí)空漣漪，即引力波。LIGO于2015年12月探測(cè)到這些引力波。（圖源：LIGO）

團(tuán)隊(duì)還提出，與當(dāng)前觀點(diǎn)相反，如果系統(tǒng)要演化成兩個(gè)黑洞質(zhì)量都超過太陽(yáng)約30倍的雙黑洞，則需要更強(qiáng)的恒星風(fēng)。

“更令人興奮的是，當(dāng)我們查看模擬中合并的雙黑洞時(shí)，我們擁有更強(qiáng)恒星風(fēng)的新模型能夠產(chǎn)生兩個(gè)黑洞都很大的系統(tǒng)，“謝潑德說。“這是令人興奮的，因?yàn)檫@是引力波探測(cè)器已經(jīng)觀測(cè)到的一個(gè)黑洞群體，而之前使用標(biāo)準(zhǔn)恒星風(fēng)的模型卻難以模擬出來(lái)。“

在這些雙星系統(tǒng)中的兩個(gè)黑洞，在相互螺旋靠近并最終合并時(shí)，會(huì)發(fā)出被稱為引力波的微小時(shí)空漣漪。但強(qiáng)烈的恒星風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)恒星風(fēng)作用下，兩顆恒星會(huì)膨脹，更可能在變成黑洞之前就合并。相比之下，更強(qiáng)的恒星風(fēng)可以將兩顆恒星推開，使它們能夠作為一對(duì)黑洞幸存下來(lái)，隨后再螺旋靠近并合并。“

這項(xiàng)新研究專注于大麥哲倫云中的一個(gè)特定環(huán)境，該環(huán)境有其獨(dú)特的化學(xué)成分。因此，謝潑德表示，團(tuán)隊(duì)的下一步將是嘗試解釋一些觀測(cè)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(xiàng)研究擴(kuò)展到一系列不同的初始化學(xué)成分，以模擬宇宙中不同的環(huán)境。看看預(yù)測(cè)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。“

BY:Robert Lea

FY:忙碌的北門

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

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

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