恒星體內(nèi)的寄生怪胎

北辰

作為廣袤宇宙中最著名的一顆恒星，我們常常將太陽(yáng)當(dāng)作比較其他恒星大小的標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)，絕大多數(shù)的恒星都很小，它們往往只有太陽(yáng)質(zhì)量的10%～20%。如果我們將它們稱為小恒星的話，那么太陽(yáng)就是中恒星，而大恒星的質(zhì)量往往是太陽(yáng)的幾十倍甚至數(shù)百倍。

恒星家族的分布規(guī)律很有趣——小的多，大的少。如果按比例來(lái)估算的話，一顆大恒星的存在，往往意味著同時(shí)還有250多顆中恒星和5600顆小恒星。

當(dāng)然，除了以質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量恒星大小外，我們還能按體積劃分恒星家族。在它們之中，有些家伙僅憑超大的體積就躋身于大恒星之列，比如紅超巨星和藍(lán)超巨星等。不過(guò)，它們實(shí)在是浪得虛名，配不上大恒星的名份——它們其實(shí)都是虛胖子。

恒星家族的“巨無(wú)霸”

紅超巨星（Red Supergiant）是恒星家族中一個(gè)很奇怪的成員：它們大多是瀕臨死亡的恒星，直徑為太陽(yáng)的幾百倍到上千倍不等，是宇宙中體積最大的恒星。它們會(huì)發(fā)出較低溫度的紅色光芒，是恒星光譜分類的約克光譜分類中的第1級(jí)。

如果我們能把一顆紅超巨星放在太陽(yáng)系的中心，那么它將吞沒(méi)很多行星，甚至可以吞沒(méi)土星。科學(xué)家至今無(wú)法確切描述紅超巨星的具體大小，因?yàn)樗鼈兊耐鈧?cè)是游離氣體，沒(méi)有明確的界限。

距離我們最近的是一顆名為參宿四（Betelgeuse）的紅超巨星，它距離我們約500光年。因?yàn)檩^近的距離和巨大的體積，它成為除了太陽(yáng)之外，人類首度能解析出其表面大小的恒星。

紅超巨星體內(nèi)的寄生胎

雖然絕大多數(shù)的紅超巨星都是虛胖子，但是有些紅超巨星卻非常特別：它們不僅個(gè)子大，質(zhì)量也大，甚至已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了合理的質(zhì)量上限。原來(lái)在它們體內(nèi)，還有另一顆恒星！

能在恒星的肚子里發(fā)現(xiàn)另一顆恒星，其實(shí)并不奇怪。早在1977年，美國(guó)天文學(xué)家基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne）和波蘭天文學(xué)家安娜·祖特闊夫（Anna Zytkow）就提出假設(shè)：某些紅巨星或紅超巨星的體內(nèi)，可能存在中子星，而這種獨(dú)特的天體也被人們稱為索恩-祖特闊夫天體。此后，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)疑似天體。2014年，天文學(xué)家在研究小麥哲倫星系的紅超巨星時(shí)，發(fā)現(xiàn)了第3個(gè)候選者——一顆名為HV 2112的紅超巨星，在它的內(nèi)部寄生著一顆中子星。

中子星異常致密，是人類已知除黑洞外密度最大的星體，它的密度相當(dāng)于水的一百萬(wàn)億倍。1cm3的中子星質(zhì)量可以達(dá)到0.8～20億噸，半徑為1萬(wàn)米的中子星的質(zhì)量幾乎與太陽(yáng)相當(dāng)。如果將地球按照這樣的密度進(jìn)行壓縮，那么地球的直徑將只有243米。

而紅超巨星的外部都是些氣體，透過(guò)這層氣體，我們便可以觀察到其內(nèi)部的物質(zhì)。當(dāng)然，科學(xué)家并非是通過(guò)肉眼或光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察的，而是借助檢測(cè)光譜波段來(lái)研究的。這種方法可以揭示很多恒星的內(nèi)在秘密，告訴人們那里有什么化學(xué)元素。

科學(xué)家觀測(cè)HV 2112的光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)，它包含著鋰、鉬、銣等重金屬的譜線，且豐度異常高，而這些化學(xué)元素則是索恩-祖特闊夫天體特有的。由于紅超巨星的溫度很低，而中子星的溫度極高，因此紅超巨星的一些氣體會(huì)落入中子星，從而引發(fā)新的核融合過(guò)程。正因?yàn)槿绱?，我們才能從光譜中發(fā)現(xiàn)上述重金屬的譜線。而這些光譜顯示的正是紅超巨星與中子星復(fù)合的演化，它可以讓科學(xué)家更好地理解恒星內(nèi)部的化學(xué)演化過(guò)程，告訴我們這些化學(xué)元素是怎樣生成的。

一個(gè)是密度極高的中子星，一個(gè)是龐大無(wú)比的氣體球紅超巨星，它們也算是宇宙中的最佳寄生搭檔了。

一對(duì)搭檔的前世今生

索恩-祖特闊夫天體就像是人類社會(huì)的寄生胎那樣，一個(gè)寄生在另一個(gè)體內(nèi)。而中子星和紅超巨星的關(guān)系也表明，它們?cè)且粚?duì)兄弟，只是由于某種原因，一個(gè)發(fā)育完好，而令一個(gè)發(fā)育不良，結(jié)果就發(fā)展成為如今這般狀況。

很久很久以前，它倆曾是雙星。我們所認(rèn)為的雙星，是靠在一起的兩顆恒星，它們相互環(huán)繞著對(duì)方運(yùn)行。有人說(shuō)它們是一對(duì)夫妻，也有人說(shuō)它們是兄弟或父子，不同的說(shuō)法取決于它們之間不同的關(guān)系。而這種關(guān)系是由各種非常復(fù)雜的因素所決定的，比如個(gè)頭大小、類型區(qū)別、距離遠(yuǎn)近等等，這也讓它們之間演繹出了各種各樣的奇特關(guān)系。而與一般雙星不同的是，這對(duì)索恩-祖特闊夫天體的前身是一對(duì)超大的雙星。

依照宇宙的生存規(guī)律，超大恒星是沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)的，它們的壽命一般都很短。在恒星誕生之初，超大恒星擁有極為豐富的質(zhì)量，而質(zhì)量意味著能量，這正是它們不斷猛烈燃燒的本錢(qián)。而恒星越大，演化得也就越快。它們具有極高的溫度，發(fā)出極其明亮的光芒，肆無(wú)忌憚地?fù)]霍著能量。當(dāng)氫元素燃燒完之后，接近中心的氦元素也會(huì)被點(diǎn)燃，但是星體的體積卻會(huì)飛速膨脹，膨脹到一定程度時(shí)，它就成為了紅超巨星。如果這些反應(yīng)沒(méi)有停止，那么最終這個(gè)超大恒星就會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)（這也是宇宙中最壯觀的景象），拋掉“外殼”之后，成為一顆中子星。

而紅超巨星HV 2112，以前也是一顆大質(zhì)量恒星，但它與變成中子星的這顆恒星相比，質(zhì)量要小一些。由于能量反應(yīng)小，它的演化速度就慢。當(dāng)恒星的輻射和引力不再平衡時(shí)，它的“外殼”就會(huì)開(kāi)始膨脹，體積將會(huì)擴(kuò)張上億倍，最終變成一個(gè)巨大的氣體球——紅超巨星。同時(shí)，由于它的“地盤(pán)”不斷擴(kuò)大，最終會(huì)將昔日的同伴吞噬。不過(guò)，現(xiàn)階段的紅超巨星其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了演化末期，正逐步走向生命的盡頭。

由此可見(jiàn)，兩顆恒星在誕生之時(shí)的質(zhì)量區(qū)別，導(dǎo)致了兩者間不同的演化速度和反應(yīng)程度，并最終形成了索恩-祖特闊夫天體。

紅巨星：當(dāng)一顆恒星度過(guò)它的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星（Red Giant Star）。紅巨星是恒星所經(jīng)歷的一個(gè)較短的不穩(wěn)定階段，處于該階段的恒星表面溫度相對(duì)很低，但極為明亮。它之所以被稱為紅巨星，是因?yàn)榇藭r(shí)恒星的顏色看起來(lái)是紅色的，且體積又很巨大。

藍(lán)超巨星：它是恒星光譜分類中的第1級(jí)，光譜型為O或B型，屬于超巨星中的一種。它們的溫度與亮度都非常高，表面溫度為10000℃～50000℃，質(zhì)量至少是太陽(yáng)的10倍。

合并或者分離

雖然紅超巨星HV 2112是個(gè)氣體球，但在它的中心還存在著一個(gè)硬核。我們可以把這個(gè)硬核當(dāng)作另一個(gè)天體，而它與那顆中子星也是雙星關(guān)系。既然是雙星，彼此就要相互圍繞著對(duì)方運(yùn)轉(zhuǎn)，只不過(guò)這個(gè)雙星是在一大團(tuán)氣體中活動(dòng)。它倆之間需要一種藝術(shù)的平衡，以保證和諧相處。但命運(yùn)真會(huì)如此嗎？

對(duì)于紅超巨星HV 2112來(lái)說(shuō)，這顆在它體內(nèi)的中子星有可能會(huì)借助它的能量越長(zhǎng)越大，并導(dǎo)致HV 2112的毀滅，這對(duì)它來(lái)說(shuō)可不是什么好消息。

中子星本就是耗盡了氫元素的恒星，氫元素對(duì)它來(lái)說(shuō)就是食物，來(lái)者不拒。當(dāng)它進(jìn)入到紅超巨星體內(nèi)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)仍未燃燒的、極其豐富的氫元素。接下來(lái)的劇情或許會(huì)變得很簡(jiǎn)單——中子星瘋狂地吸積氫元素，而紅超巨星會(huì)因此萎縮，變成一個(gè)扁平的、螺旋狀的吸積盤(pán)，環(huán)繞在中子星的周?chē)?。此后，中子星仍?huì)不斷吸取其周?chē)奈镔|(zhì)，并最終將這個(gè)可憐的氣體球完全吞噬。

除此之外，還有一種可能的命運(yùn)。如果紅超巨星的核心和中子星距離較近的話，雙方的引力會(huì)讓軌道周期衰減，從而沿螺旋形軌道向彼此靠近。當(dāng)它倆過(guò)于接近時(shí)，就會(huì)碰撞并發(fā)生超新星爆發(fā)，演化為一顆更大的中子星，而這顆全新的中子星同樣會(huì)吞噬紅超巨星。

不過(guò)，故事的發(fā)展還會(huì)有第三種可能。之前我們提到，紅超巨星是瀕臨死亡的恒星，但它仍在膨脹。當(dāng)它膨脹到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)，HV 2112也不例外。爆發(fā)之后，紅超巨星的命運(yùn)就是成為一顆中子星！如此一來(lái)，它將會(huì)和它體內(nèi)的那顆中子星并肩站立，成為兄弟般的雙星。也許這樣的結(jié)局是最完美的——它們的前世是雙星，但由于彼此不同的演化過(guò)程，在途中分道揚(yáng)鑣。然而經(jīng)過(guò)超新星爆發(fā)后，它倆都成為了堅(jiān)硬致密的中子星，再度變成了雙星。

究竟在宇宙這位編劇大師的筆下，紅超巨星HV 2112和那顆中子星的命運(yùn)將會(huì)如何，我們不得而知。但在138億年的時(shí)間里，的確已經(jīng)發(fā)生了許多奇妙有趣的故事，宇宙會(huì)為它們這段旅程寫(xiě)下令人欣喜的大結(jié)局嗎？