恒星脈動(dòng)的原因有哪些?恒星收縮與膨脹也會(huì)讓它一閃一閃

過去幾個(gè)月來，位于獵戶座的參宿四牽動(dòng)了許多天文學(xué)家及愛好者的心。其亮度一度變暗到人類有記錄以來的最低值，以至于許多人猜測(cè)它將立即爆發(fā)為超新星。

但天文學(xué)界內(nèi)的大多數(shù)人認(rèn)為參宿四突然變暗并不是因?yàn)樗磳⒊蔀槌滦?。圍繞變暗的原因眾說紛紜，其中的一個(gè)可能原因是恒星發(fā)生了脈動(dòng)——即收縮與膨脹。恒星的脈動(dòng)會(huì)使恒星的亮度發(fā)生變化。

近日，一個(gè)研究小組假定參宿四在發(fā)生脈動(dòng)的同時(shí)發(fā)生超新星爆發(fā)，計(jì)算了脈動(dòng)對(duì)超新星亮度的影響——脈動(dòng)時(shí)，收縮區(qū)域發(fā)出的光變暗，膨脹區(qū)域發(fā)出的光變亮。

作為一個(gè)紅超巨星，參宿四的半徑確實(shí)在不斷變化，導(dǎo)致其亮度也反復(fù)變亮變暗。那么，恒星脈動(dòng)的原因有哪些?脈動(dòng)的恒星對(duì)于天文學(xué)研究有什么重要性?它們都會(huì)爆發(fā)為超新星嗎?

周而復(fù)始的膨脹與收縮

恒星一生中的大部分時(shí)間依靠內(nèi)部氫聚變?yōu)楹さ倪^程提供能量。聚變產(chǎn)生的能量產(chǎn)生了向外的輻射壓力，而恒星自身的引力向內(nèi)，兩個(gè)力保持平衡，使得恒星保持一定大小。氫聚變的產(chǎn)物是氦，恒星內(nèi)部積累足夠多的氦且溫度達(dá)到1億開爾文后，核心的氦發(fā)生聚變，恒星開始膨脹為紅巨星或紅超巨星。

紅超巨星半徑能夠達(dá)到太陽半徑的幾百甚至上千倍，內(nèi)部物質(zhì)對(duì)表面物質(zhì)的引力比較弱，表面大氣的翻滾變化，會(huì)使恒星的半徑發(fā)生變化，形成脈動(dòng)。參宿四的脈動(dòng)就屬于此類。

質(zhì)量為太陽質(zhì)量0.5倍的恒星，進(jìn)入氦燃燒階段后，會(huì)先膨脹為紅巨星，然后顏色變黃。質(zhì)量為太陽好幾倍或者十幾倍的恒星，在進(jìn)入氦燃燒的某個(gè)階段時(shí)，也會(huì)變黃，成為黃巨星或黃超巨星。這兩大類恒星中的一部分會(huì)產(chǎn)生周期性脈動(dòng)。脈動(dòng)的根本原因是恒星大氣中的氦。

氦有兩個(gè)電子。恒星大氣內(nèi)某個(gè)區(qū)域溫度達(dá)到3萬開爾文左右時(shí)，氦的一個(gè)電子被電離。恒星收縮時(shí)，內(nèi)部溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到4萬開爾文左右時(shí)，氦的另一個(gè)電子也被電離。自由電子增多，導(dǎo)致恒星大氣的不透明度增高，被俘獲的輻射變多，積累的能量變多，恒星膨脹。膨脹會(huì)導(dǎo)致降溫，兩個(gè)電子中的一個(gè)重新復(fù)合回去，恒星大氣不透明度降低，被俘獲的輻射減少，恒星收縮。收縮會(huì)導(dǎo)致升溫，電子又被電離，導(dǎo)致以上過程循環(huán)往復(fù)，恒星就會(huì)反復(fù)膨脹收縮。

這樣的脈動(dòng)導(dǎo)致恒星的亮度發(fā)生周期性變化。質(zhì)量為太陽質(zhì)量0.5倍的那些恒星脈動(dòng)時(shí)成為天琴座RR型變星，質(zhì)量為太陽幾倍或者十幾倍的黃巨星或黃超巨星脈動(dòng)時(shí)成為造父變星。

質(zhì)量接近太陽質(zhì)量100倍的恒星也會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。這類恒星的核心聚變?yōu)檠踔?，氧核聚變產(chǎn)生的光子能量太高，成對(duì)地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮优c正電子對(duì)，后者又成對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹形⒆优c反中微子對(duì)，中微子對(duì)輕松地逃逸出恒星，恒星壓力降低，發(fā)生收縮;收縮導(dǎo)致氧核的溫度進(jìn)一步升高，上述過程更加激烈，形成一個(gè)循環(huán)，氧核心產(chǎn)生的能量快速釋放，引起恒星膨脹，將恒星外層物質(zhì)拋出一部分。這樣的脈動(dòng)噴發(fā)過程會(huì)發(fā)生多次，因此被稱為“脈沖對(duì)不穩(wěn)定性”。

用周光關(guān)系丈量星系距離

恒星脈動(dòng)在天文學(xué)上有著重要的應(yīng)用。天琴座RR變星與造父變星亮度變化周期與最大亮度有明確的關(guān)系，即周期—光度關(guān)系。只要確定了一部分此類變星的精確距離，就可以通過周期—光度關(guān)系確定其他同類變星的距離。天文學(xué)家利用造父變星的周期—光度關(guān)系，先后測(cè)量了銀河系內(nèi)、仙女座星系內(nèi)以及其他多個(gè)星系內(nèi)造父變星的距離，從而確定了銀河系的形狀與太陽在銀河系內(nèi)的位置，證明仙女座星系是銀河外的星系以及發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹等。

天琴座RR型變星與質(zhì)量小于8個(gè)太陽質(zhì)量的造父變星因?yàn)橘|(zhì)量太小而無法成為超新星。類似于參宿四的紅超巨星與質(zhì)量超過8個(gè)太陽質(zhì)量的造父變星會(huì)爆發(fā)為超新星。質(zhì)量接近100倍太陽質(zhì)量的恒星，在經(jīng)歷幾次脈動(dòng)噴發(fā)后，最終會(huì)爆發(fā)為超新星或直接塌縮為黑洞。天文學(xué)家已經(jīng)從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的照片檔案中發(fā)現(xiàn)了一些超新星爆發(fā)前的圖像，證明有些超新星是紅超巨星爆發(fā)而成、有些超新星是黃超巨星直接爆發(fā)而成。這意味著造父變星有可能直接爆發(fā)為超新星。

需要注意的是，恒星成為天琴座RR型變星或造父變星后，一般不會(huì)永遠(yuǎn)處于這樣的變星狀態(tài)，而會(huì)在某個(gè)階段不再脈動(dòng)，并演化為其他類型的恒星。大質(zhì)量的造父變星雖然可能直接爆發(fā)為超新星，但更多時(shí)候會(huì)在結(jié)束脈動(dòng)后再爆發(fā)為超新星。(王善欽)

關(guān)鍵詞： 恒星 收縮 膨脹