星星究竟是如何死亡的?

星星的死亡方式不止一种。有些悄然逝去,有些则轰轰烈烈地爆炸。

Illustration of a white dwarf star siphoning material from a companion star

一颗被称为白矮星()的恒星遗骸从一颗更大的伴星()吸取气体的插图。这种系统可能会爆发巨大的爆炸,这是由白矮星表面积聚的气体突然爆炸产生的。

NASA/SAO/CXC/M.Weiss

很快,可能在几天内,更可能在未来几周内,一颗“新星”将出现在我们的天空中——但实际上它是一颗老星。它被称为北冕座T星(或T Cor Bor),它是一个双星系统,由一颗巨大的红巨星和一颗微小的白矮星组成。虽然白矮星很小,但它们非常可怕:它们将一颗太阳型恒星的大部分质量压缩到一个大约地球大小的球体中。这使得它们非常致密和炙热,并且具有强大的引力。

北冕座T星中的白矮星正在缓慢地从红巨星上吸取氢气和其他气体,并将所有这些偷来的物质堆积在其表面。最终,积聚的物质足够多,巨大的引力将融合氢,引爆一颗本质上是行星大小的热核炸弹。爆炸威力巨大,以至于这颗通常昏暗的恒星,几乎肉眼不可见,突然爆发到肉眼可见的亮度,尽管它距离地球3000光年。瞬间,它将爆发出高达太阳年输出能量10万倍的能量。这是一件大事。

然而,这场灾难性的爆发能量还不足以将白矮星炸成碎片。相反,在爆炸后的几天和几周内,它会逐渐消退,并最终恢复到其通常较为适度的亮度。大约每80年,这个周期会重复一次,使其成为一个可预测的周期性事件,这就是为什么天文学家对北冕座T星即将爆发(在某种程度上是字面意义上的)感到兴奋的原因。


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这种事件被称为新星,它是拉丁语stella nova的缩写,意思是“新星”,因为它看起来好像一颗新星突然出现在原本空无一物的地方。这是一个用词不当:那里已经有一颗恒星——实际上是两颗恒星——而且都非常古老。白矮星是像太阳这样的恒星死亡后留下的残骸,而红巨星是正在死亡的类太阳恒星。这样的恒星需要数十亿年的时间才能达到这些演化阶段,因此“新星”这个名称有点讽刺意味。然而,这个术语已经深深地扎根于历史,所以我们只能继续使用它。

但是,如果新星可以复发,那么它就不是真正的恒星死亡。那么,星星是如何死亡的呢?

对于“正常”的恒星——那些通过在核心中融合较轻元素来产生能量,从而制造出更重元素的恒星——死亡发生在它们耗尽可用燃料时。像太阳这样的恒星大约需要120亿年的时间才能将其核心中的所有氢融合成氦。如果恒星质量足够大,它会足够用力地挤压氦,将其融合成碳,从而产生比以前更多的能量。

所有这些能量都流入恒星的气态外层大气,使其开始膨胀,就像任何气体吸收能量时一样。但随后发生了一件有趣的事情:膨胀恒星的表面积增加得如此之多,以至于每平方厘米辐射的能量实际上降低了。气体的温度下降,将恒星的颜色变为朱红色。我们现在得到的就是一颗红巨星。

由于恒星变得如此巨大——达到太阳直径的200倍!——其表面的引力减弱。再加上恒星剧增的光度,这意味着气体将开始从恒星流出,产生“恒星风”,最终可以喷射出超过恒星总质量一半的物质。最终剩下的只有核心:一个微小而难以忍受的炙热,但非常微弱的恒星余烬,我们称之为白矮星。

对于像太阳这样的低质量到中等质量的恒星来说,基本上就是这样;在漫长的岁月中,一颗孤立的白矮星将逐渐冷却下来,慢慢地衰退成一个迄今为止还只是理论上的惰性块状物,称为黑矮星。(宇宙还不够古老,以至于任何白矮星都变得如此寒冷,所以我们实际上还没有见过任何黑矮星。)如果恒星恰好像北冕座T星一样位于双星系统中,事情就会变得更有趣,因为它可能会变成新星。但即便如此,这也不一定是终结。有些新星并没有喷射掉所有积聚的物质,因此,随着时间的推移,它们的质量实际上会增加。然后事情就会变得更加有趣。

随着物质的积累,引力增大,导致白矮星内部的压力也增大。这种内部压力甚至可能增长到足以重新点燃核聚变反应,这些反应将碳核猛烈撞击在一起,迅速释放出巨大的能量。温度急剧升高,达到数十亿度,导致白矮星爆炸。

这次爆炸远比人类最可怕的末日梦想还要大:它比太阳亮100亿倍,亮度足以盖过整个星系!这个事件被称为超新星——具体来说是Ia型超新星。

还有另一种恒星爆炸,被称为——毫不奇怪——II型超新星,它是在大质量恒星死亡时触发的。质量超过太阳大约八倍的恒星,其核心有足够的压力来融合更重的元素。碳是类太阳恒星最后的聚变产物,但质量更大的恒星可以将碳融合成氖,氖可以融合成氧,然后氧可以融合成硅。到那时,恒星就麻烦大了。核心聚变产生的辐射能量向外的推力是支撑恒星抵抗自身引力向内拉力的力量。但是硅只能融合成铁,而融合铁实际上需要的能量比它释放的能量更多。更糟糕的是,所有新形成的铁都会吸收核心中的电子,而这些电子原本可以帮助支撑恒星。

因此,一旦铁聚变开始,所有这些恒星支撑力都消失了,核心就像一把椅子一样坍塌,椅子的腿从下面被踢开。这释放出极其巨大的能量洪流(以及称为中微子的亚原子粒子)——就像在炸药工厂里点燃了一根火柴,并放大了无数倍。恒星巨大的外层吸收了如此多的能量,以至于它们向外反弹,产生了一个巨大的II型(或核心坍缩)超新星。轰!

在某些爆炸中,核心完全瓦解,只留下爆炸后迅速膨胀的碎片。从好的方面来说,这种物质富含重元素,然后这些重元素会继续形成下一代恒星——以及行星。但有时核心会坍塌形成超高密度的中子星,或者更可怕的是,黑洞。毫不奇怪,细节非常复杂,天体物理学家仍在努力理解这些事件的所有变化莫测之处。

Ia型和II型超新星都非常明亮,以至于可以在数十亿光年之外看到它们,这在可观测宇宙中占了很大一部分。我们的望远镜现在非常灵敏,以至于每年天文学家都会在宇宙的某个地方看到数以万计的这种恒星灾变。当然,它们也极具爆炸性,你也不想离它们太近,以免碎片对你造成物理冲击

那么,北冕座T星,这颗引发整个话题的周期性新星又如何呢?它似乎是那种在爆炸后缓慢增加质量的新星,因此它最终可能会增长到足以作为Ia型超新星轰然爆发。在这种情况下,在真正、真正的最终爆发之前,北冕座T星还会进行最后一次爆发。但这不太可能在很长很长一段时间内发生,所以请欣赏它即将上演的精彩表演吧。它大约在80年后才会再次上演!

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