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天文学家是如何八卦恒星的离婚率的

来源:光明网2019-09-02 09:20

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  浪漫的七夕刚刚过去,不少人还记得天上那两颗含情脉脉、遥遥相对的牛郎星和织女星。相比它们而言,宇宙中许多恒星是非常幸福的,因为它们旁边就有一个恒星伴侣存在。包括了两颗惺惺相惜、相互绕转的恒星的系统被称为双星系统。天文学家普遍认为,大约有一半的恒星是处于双星系统中的。一个很自然的问题是:这些双星系统是青梅竹马呢还是一见钟情呢?换句话说,它们是从诞生就在一起的还是后来相遇的情侣呢?这个问题还可以继续八卦下去,有多少这样的恒星伴侣白头终老,又有多少劳燕分飞了呢?

  这些看似狗血的问题对于天文学家而言可都是举足轻重的大问题,因为它们可不仅仅是这些小两口的家务事,而是真真切切关系到宇宙演化的大事情。所谓家事就是天下事呢。

天文学家是如何八卦恒星的离婚率的

双星系统示意图

  为什么这么说?咱们来举几个例子。2017年诺贝尔物理学被引力波的发现者所获得。至今为止,人类探测到的所有的引力波事件都是大质量的双星系统死亡的时候搞出来的大事件!如果我们不清楚宇宙中有多少这样的恒星家庭,我们就无法知道人类探测到的引力波事件的统计意义在哪里。

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正在辐射引力波的双星系统

  再比如2011年诺贝尔物理学奖颁发给了发现宇宙加速膨胀的两个研究团队。他们不约而同使用一类特殊的超新星——Ia型超新星——来研究宇宙的膨胀速度。而Ia型超新星正是由双星系统(一般认为其中至少有一颗白矮星)并合产生的大爆炸!可是天文学家们从理论上还无法预测一个星系里面到底能够产生出多少这样的超新星来。

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Ia型超新星前身双星想象图

  还有第三个例子。我们知道这二十多年以来天文学家已经发现了数千颗太阳系以外的行星,其中有一些非常适合生命的产生。那么问题来了,为什么有些恒星有伴侣恒星,有些是单身狗,而还有一些却是行星伴侣呢?

  所以,虽然双星的研究在整个天文学领域大多非常低调,但在行内看来,这可是一个非常重要的研究问题,上可联系宇宙的存续,下可探究生命的起源,是不可不查的重要课题啊。

  双星的观测研究是现代天文学中比较古老的课题了,自从有了天文望远镜,天文学家就已经注意到了有很多恒星成对儿出现的这一现象。然而双星的理论研究还处于初级阶段。理论家提出了两种双星形成的理论,一种认为恒星诞生于气体云核之中,云核分裂形成双星;另一种认为原恒星形成后围绕在它周围的气体盘因动力学不稳定而分裂形成第二颗伴星。但是这两种理论都缺少直接观测证据的支持,还有很多理论细节仍然有待商榷。

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理论模拟的双星形成过程

  此外,双星诞生以后并不会一成不变,它们可能会合并形成一颗质量更大的恒星,也有可能相互交换质量而改变两颗成员星的质量比,还有可能因为“第三者”的介入——第三颗恒星从旁边经过而产生引力扰动——导致一对双星分离开来,形同陌路。在恒星密集的环境中(例如星团内),两颗单身恒星还有可能邂逅并一见钟情,组成一个新的双星家庭。

  夜空中绝大多数恒星被称为场星,即没有凝聚成团的、分散在星系中的恒星。在这些最普通的恒星中上面列出的这些演化情形还鲜有观测证实。

  最近我们对50000多颗我国LAMOST光谱巡天项目观测的主序星(处于成年时期的恒星)中的双星开展了统计研究。我们惊讶地发现场星中的一些双星已经在它们诞生的早期就分道扬镳了,而另一些双星则始终坚守在一起,直到今天。换句话说,场星中很多双星没有熬过“七年之痒”,就早早地“离婚”了。

  场星中的主序星处于成年状态,恒星的大小非常稳定,通常双星中的伴星距离主星保持着安全距离,不会很快撞到一块。场星中的恒星密度也非常低,在上百亿年的时间里一颗恒星也很难遇到另一颗恒星从身旁掠过。这就像身居在孤岛上的一对伴侣,一辈子也没见到过别人,当然也就不存在“第三者”了。所以按说,场星中的双星一旦生成,在上百亿年时间里是很难发生“离婚”事件的。

  但是,我们发现一些恒星质量较小的星族中双星比例较低,双星的间距较小,同时双星中更多的出现两颗成员星质量差不多大的情况。另一方面,恒星质量较大的星族中双星比例比较高,成员之间的间距有大有小,两颗成员星质量比的分布也比较均匀。如何解释这一奇异的分化现象呢?

  原来,所有的场星在诞生之初都是存在星团中的。也就是说恒星就像兔子一样,都是“一窝一窝”形成的,小的星团有几百颗恒星,大的星团可以有几万颗恒星。出于某种未知原因,绝大多数年轻的星团会在数百万到数千万年的时间里瓦解掉,其中的成员星最终变成了相互距离很远的场星。只有极少数星团存活到今天。

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刚刚形成的年轻星团(ESO/G. Beccari)

  这项新的研究推测很多“意志不够坚强”的双星就是在这短短的几百万年“社群”生活中被频繁出现的“第三者”的引力拆散了。“第三者”恒星的扰动并不是每一次都会导致双星的“离婚”,只有一些特定的双星才容易被蛊惑。例如主星质量较小的双星、两颗成员星的质量相差比较大的双星、以及相互距离比较遥远的双星。这些系统的共同特点是维系双星的引力束缚能较低,当然这样的家庭也就更加脆弱。

  尽管今天对场星的观测已经无法直接看到这些双星家庭破碎的悲剧,但是我们仍然能够从坚守下来的双星家庭中窥探到曾经发生过的剧烈演变所留下的深刻印记。由于引力扰动会破坏那些主星质量较小的双星系统,今天我们在场星中就看到质量小的双星比例明显小于质量大的双星。又因为双星质量相差比较大的束缚能也比较低,所以双星比例较低的小质量恒星星族中存留下来的双星都是两颗成员星质量比相差不大的。还有那些相距较远的双星系统也容易被瓦解,所以今天看到的小质量双星中间距普遍较小。大自然残酷地淘汰了很多束缚能较低的双星,留到今天我们能看到的双星系统就主要都是束缚能较高的那一类了。

  这一发现使人们首次认识到今天看到的场星双星已不是原初的状态了,而是被残酷的大自然筛选过的结果。这个信息对于研究双星自身的演化和研究宇宙的演化都是至关重要的。

  在人类社会中,坚定地抗过了初期的各种诱惑后,这样的婚姻通常可以走得很远,恒星世界看来也是如此的。

  作者:刘超,系中国科学院国家天文台研究员。主要从事银河系的结构与演化、星系动力学、星际消光、恒星物理等研究。

[ 责编:蔡琳 ]
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