宇宙探索:宇宙中最亮、最古怪恒星是什么?

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  原标题:宇宙探索:宇宙中最亮、最古怪恒星是什么? 当科学家用最强大的望远镜观察宇宙时,经常想到遥远星系处于人类可以感知的天体物理极限。就平均而言,每个星系都有数千亿颗恒星,而每颗恒星都有自己独一无二的历史。但如果想了解恒星在那里的情况,就得近距离观察

  原标题:宇宙探索:宇宙中最亮、最古怪恒星是什么?当科学家用最强大的望远镜观察宇宙时,经常想到遥远星系处于人类可以感知的天体物理极限。就平均而言,每个星系都有数千亿颗恒星,而每颗恒星都有自己独一无二的历史。但如果想了解恒星在那里的情况,就得近距离观察。

  图注:图展示的极高激发星云由一个极其罕见的双星系统提供能量的:一颗Wolf-Rayet恒星围绕O型星旋转。来自Wolf-Rayet中心成员的恒星风的强度与太阳系恒星的太阳风强度相当,在1000万到10亿倍之间,并且在12万度的温度下发光。(绿色超新星遗迹偏离中心是不相关的)这样的系统估计最多只能代表宇宙中0.00003%的恒星。图片版权:ESO

  只有在我们自己相对较近的宇宙后院里,银河系和其他星系中不超过几百万光年之外,才能详细地解决单个恒星的问题。由于像Hipparcos,Pan-STARRS和Gaia任务这样的大量研究调查,现已经能够测量和分类数以百万计的恒星。当科学家们看到所发现的东西时,其大多数都有一些共同点,除此之外还有一些异常值。

  图注:(现代的)Morgan-Keenan光谱分类系统,其上面显示的每个星级的温度范围以开尔文为单位。今天绝大多数(75%)的恒星都是M级明星,只有1 / 800的超级星足够大。然而像O星一样热的并不是整个宇宙中最炙热的恒星, 有一些特殊的是所有最稀有的恒星之一。图片信息及版权:Wikimedia Commons user LucasVB, additions by E. Siegel

  通常情况下无论何时形成恒星,都是由气体分子云的崩溃引起的。云碎片形成各种各样的恒星:大量的低质量恒星,较少数量的高质量恒星,如果气体云足够大,则可能更小但可能有相当数量的大质量恒星。所有的恒星都会将氢融合成氦,这就是恒星如何创造出能量的核能。通常科学家将这样的恒星分成七个不同的类别,其中M级是最小最红最冷的,而O级是最大最蓝最热的恒星。

  如果这就是宇宙所拥有这些类型恒星是孤立的,那么就知道是如何演化的。单个的恒星会从所形成的分子云变得尽可能大,元素冷却,从引力坍缩升温,直到聚变产生内部过程的辐射压力达到了上限,然后:

  1、质量最低的m级恒星为太阳质量的40%,会慢慢地将氢燃烧成氦,最终通过收缩变成氦白矮星而死亡

  2、B级恒星的中级K级恒星为太阳质量的约40%至800%,将氢燃烧成氦后加热使氦融入碳,成为红色巨星,伴随着碳最后死于行星状星云中/氧白矮星。

  3、而最高质量的恒星,包括最重的B级和O级恒星,将超越氦气融合的阶段,如碳燃烧,氧气燃烧,一直到硅燃烧,最后导致超新星爆炸,要么是中子星,要么是黑洞。

  图注:来自哈勃望远镜的可见光/近红外照片显示出一颗大质量恒星,约为太阳质量的25倍,但它已经消失,然而没有形成超新星,也没有其他。直接崩溃形成黑洞是唯一合理的候选解释。图片信息及版权:NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

  但还有一些古怪的。有超大质量的恒星直接坍缩成黑洞,没有超新星。有一些恒星非常热,它们在内部自发产生电子/正电子对,导致形成一种特殊的超新星。

  图注:这幅图解释了天文学家认为触发超新星事件,称为SN 2006gy的超超新星过程。当产生足够高能量的光子时将产生电子/正电子对,引起压力下降和失控反应,从而破坏恒星。图片版权:NASA/CXC/M. Weiss

  双星系统中从伴星身上窃取了大量的物质,有时从一颗巨星上吸走了大量的氢。在一个还活着的巨星中心恒星应该有一个坍缩的物体,被称为thornezytkow物体。有些年轻的恒星星表现出非常罕见的耀眼发光行为,比如像赫大哈罗天体或沃尔夫-雷特恒星。

  图注:围绕着Wolf-Rayet恒星WR124的猛烈的恒星风创造了一个令人难以置信的星云,被称为M1-67。这些恒星如此动荡,以至于它们的喷出物跨越了许多光年,喷出的气体重量是地球的许多倍。图片信息及版权:Hubble Legacy Archive, NASA, ESA; Processing: Judy Schmidt

  尚未得到证实的是:有些恒星完全是由纯粹由氢和氦组成的原始气体云组成的:宇宙中的第一颗恒星。来自这个时代的恒星可能会达到1000倍太阳质量,并且希望能够由詹姆斯韦伯太空望远镜揭示出来,詹姆斯韦伯太空望远镜的构建部分是从早期阶段开始破译宇宙的秘密。

  图注:遥远星系CR7的插图,2016年它被发现可以容纳有史以来最好的候选星,这些候选星是由来自大爆炸的原始材料形成的原始恒星群。发现的星系之一绝对是恒星,另一个可能还没有形成。图片版权:M. Kornmesser / ESO

  那么到目前为止我们知道什么?我们期望在不久的将来能发现这些奇怪的天体呢?下面埃米莉列维斯克在太空研究所《宇宙中最怪异的物体》上的公开讲座,也许是有史以来的第一次,使人处于一种独特的状态。

  图注:19世纪的“超新星爆炸”引发了一场巨大的喷发,将许多太阳的物质从埃塔卡林尼(Eta Carinae)喷射到星际物质中。像太阳这样高质量的恒星,就像银河系一样以一种在较小低金属的星系中恒星的方式喷射出大量的质量。图片信息及版权:Nathan Smith (University of California, Berkeley), and NASA

  例如我们是否会谈论超大质量恒星在生命的尽头发生的事件?是否会碰到可能非常罕见的奇怪事情,如失败的超新星(上图)?

  图注:宇宙可能看起来像什么样的概念图,因为这是宇宙形成第一颗恒星的时候。虽然还没有直接的图片,但射电天文学的新间接证据表明,当宇宙年龄在一亿八千万到两亿六千万年之间时,这些恒星的存在就会出现。图片信息及版权:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

  还是会更专注于宇宙中的第一颗恒星:正在努力但希望发现的那种,那些由原始元素组成的星体?还不知道很多关于恒星的事情,包括不同阶段如何形成。

  图注:太阳质量的恒星在H-R图上的演化,从主序阶段到融合结束,每个质量的恒星都会遵循不同的曲线。图片信息及版权:Wikimedia Commons user Szczureq

  也许会谈论恒星潜在生命中短暂的,因此又稀奇古怪的阶段?不是冒名顶替者,它是失败的超新星(未能成功形成超新星)!

  图注:哈勃太空望远镜拍摄的蟹状星云光学复合/镶嵌图。不同的颜色对应不同的元素,并显示氢,氧,硅等的存在,所有这些都是按质量分布的。图片信息及版权:NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

  一般情况下,恒星是如何运作的,当处于主要序列时会燃烧燃料,当在核心燃烧足够的燃料并耗尽氢时,那就是进入红色巨星或超级巨星阶段......而这正是乐趣开始的地方。

  图注:今天的太阳和巨星相比是非常小的,但是在它的红巨星阶段,体积会增大到大角星的大小。像Antares这样巨大的超级巨人将永远无法超越太阳。图片信息及版权:English Wikipedia author Sakurambo

  确实如此:当变成这样的恒星时,和现在的太阳变得非常不同。但这并不意味着真的很“奇怪”......这意味着正在服从恒星演化的正常阶段规律。从正常化的角度来看,这只是奇怪的。实际上“正常”是多种多样的,在认为不正常的时刻:有许多正常的情况。

  图注:欧米茄星云也被称为梅西耶17,它是一个强烈而活跃的恒星形成区域,从边缘看,这就解释了它的尘埃和光束般的外观。图片信息及版权:ESO / VST survey

  恒星和恒星演化的有趣之处在于这些非常巨大的恒星,即成为红巨星的恒星,实际上是所有恒星的最短寿命。发现它们甚至在恒星形成的区域,因为它们在其核心的氢燃料中燃烧得如此之快,当它们膨胀时会冷却,如此剧烈以至于它们能在外大气层中形成稳定的分子(如二氧化钛)。

  图注:所有恒星中最热的o型星在许多情况下实际上都有较弱的吸收线,因为表面温度足够大,以至于它表面的大部分原子的能量都太大了,以至于无法显示出吸收的特征原子跃迁。图片信息及版权:NOAO/AURA/NSF, modified by E. Siegel

  有趣的是这些恒星大气非常大“非常凉爽”,在边缘形成的分子可以吸收蓝光,优先将这些恒星的拟合温度转换为太低的值:理论上太冷的恒星不存在。这是一个有趣的研究,如果不能解释所有的物理效应,包括奇怪的是恒星表面的分子,那得加油了!

  图注:这是一颗巨大的恒星在其生命周期内的解剖结构,当核心耗尽核燃料时,它最终形成了II型超新星。核聚变的最后阶段是硅燃烧,在超新星爆发前的短暂时间内,在核心中产生铁和铁元素。图片信息及版权:Nicole Rager Fuller/NSF

  如何经历恒星演化,然后变成超新星呢?为了阻止恒星抵抗重力崩溃,必须融合元素:辐射向外推力抵抗重力。当用尽氢融合,辐射开始失去,并引发重力崩溃,这意味着当被压缩时会变热,如果有足够的质量,可以快速升温,开始聚变氦。继续下去:将氦与碳,碳融合成氧气......一直到制造铁,镍和钴。然后终于要死了。这很快:虽然这些不同阶段的燃烧持续时间从几天(如硅)到数千年(用于碳/氧)到数十万(用于氦气)...但超新星会在几秒钟内发生。

  但不是所有事情都像你想象的那样顺利,艾米莉现在告诉我们关于发光的蓝色变量,在生命的晚期阶段就会抛出喷射物。这是一个有趣的过程,并没有完全被理解:为什么有些恒星(通常是那些拥有更多重元素的恒星)会这样,而另一些却没有?这种开放性的问题是天文学和天体物理学的一部分,尽管我们都知道,它离终点还远着呢!

  图注:中子星是宇宙中最密集的物质之一,但它们的质量有一个上限。超过上限,中子星将进一步坍缩形成黑洞。图片信息及版权:ESO/Lus Cal?ada

  像这样的公众演讲的难点在于,当你对事物或现象进行研究调查时不可能深入到任何事情的深处。艾米莉谈到了中子星,特别是那些脉冲星,但后来直接进入黑洞。为什么?因为如果你想涵盖所有内容,就不能花太多时间谈论任何一件事情。因此会有很多问题在脑海里闪现,然后在进入下一个主题时就会迷失方向。

  图注:宇宙中一个非常高能量过程的例证:伽马射线爆发。图片信息及版权:NASA / D. Berry

  人们开始观测,大的/重要的望远镜就会指向想要探测的东西。这些后续的观测,跨越不同的波长提供了大量的数据。数据而不是一个漂亮的图片,告诉你有趣的物理/天体物理学和天文学。

  图注:位于距离1.3亿光年的银河NGC 4993之前曾多次成像。但在2017年8月17日检测到引力波后,发现了一种新的瞬态光源:中子星与中子星合并的光学对应物。图片信息及版权:P.K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam

  这是过程中至关重要的部分:小心并确保看到所认为看到的是什么。科学并不总是以第一或最快的速度出现,或者把所有的东西放在一起;这是关于尽可能地学习,并最终获得正确的结果。这就是我们如何将引力波天文学,伽玛射线多个天文台的多波长跟踪结合起来。

  图注:室女座引力波探测器的鸟瞰图,位于比萨(意大利)附近的Cascina。室女座是一个巨型迈克尔逊激光干涉仪,其臂长为3公里,并补充了双4公里LIGO探测器。图片信息及版权:Nicola Baldocchi / Virgo Collaboration

  谈论引力波天文学是多么令人兴奋。没错有一次纯粹是在物理学领域,然后是天体物理学,这让天文学家们认为这是真正的天文学。这不仅仅是物理学,而不是天文学家不再需要望远镜来做天文学了!很重要的一点是这些敏感的、短暂的事件,这些事件很快就发生了,就像时域天文学一样。换句话说,当时间是至关重要的时候,你必须要去看,因为如果没有抓住机会去获取那些数据,就会错过它!

  图注:图像右侧可见的太阳耀斑发生在磁场线分裂并重新连接时,比现有理论预测的要快得多。图片信息及版权:NASA

  同样重要的是,要认识到有时会出现误报。例如钾耀星,谁看到星星闪烁并散发出钾的特征?答案是一个望远镜在法国,而没有其他的。这不是由于恒星中的钾,而是由于探测器室内有钾。但是......事实证明,可能有真正的钾耀星,因为不吸烟者观察到类似的特征。

  如果你没有考虑到某个来源造成的影响,那么很容易欺骗到自己,但这并不意味着看到的效果实际上并不真实!例如在帕克斯无线电台,在午餐时间使用微波炉,并打开门,引起无线电波短暂的闪光,使人们认为他们看到了一个快速的无线电爆炸,但不是的,这是微波炉。然而......快速的射频爆发是真实的,现在对它们有了更多的了解,并且看到了一堆!

  这里有一个有趣的想法:如果有一个双星系统,两者都很大并且会超新星会发生什么?那么一个会先走,也许会产生一颗中子星,如果他们进入并融合会发生什么?中子星将沉入核心,所以会得到一颗红色超巨星(最终)的核心是一颗中子星。这就是Thorne-Zyktow的一个对象,它可以非常明确地预测将在表面观察到什么!

  有趣的是,这是核物理、热物理和化学的结合当一个原子核接触到中子星的表面时只停留在那里大约10毫秒,并且会产生一个我们在其他地方看不到的化学信号。可以在极少数的红巨星中发现这种奇怪的,预测的化学特征。必须确保没有其他模拟的预期的效果,即使观察完全符合理论,也需要从多个对象和多条证据中得到确认。科学家的工作方式就是这样:必须压倒性地说服自己,而不是可能的说服力。

  图注:超新星遗迹1987a位于大麦哲伦云大约165000光年远。事实上中微子在第一个光信号出现几个小时之前就已经告诉了我们更多关于光通过恒星的超新星层传播的持续时间的事实,而不是关于速度中微子行进的速度,这与光速无法区分。光和引力波似乎都以相同的速度传播。图片信息及版权:Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

  恒星天文学家有一个很大的期望:在有生之年的某一天有一颗超新星,可以用肉眼观察到的超新星。自1604年以来还没有一个来自地球的人见过......但可以随时获得一个,如果你认为月食是壮观的......想象一下这将是什么样子!

  图注:一些古怪的天体......其中许多是插图或模拟,但其中一些是实际的照片(螃蟹星云(超新星遗迹)是真实的)(Eta carina是一个发光的蓝色变量(真实)周围的弹射星云)(双星的其中一颗是中子星增生物质(插图))(伽马射线爆发(插图)(Thorne-Zyktow对象(模拟))。图片信息及版权:E. Levesque / Perimeter

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