高速自转：大质量恒星的“养生秘笈”

　　一颗质量超过16个太阳质量的恒星，其特性与我们太阳相比会有一些极端。在它壮年阶段，其半径约为太阳的10倍，温度超过3万度，亮度是太阳的几万倍。但年龄不会超过一千万年，而我们的太阳质量是小质量恒星，但它的寿命可以超过一百亿年。目前在我们银河系内发现的最大质量恒星约为120-150个太阳质量，而在宇宙的早期甚至能到1000个太阳质量。

　　在宇宙早期，大质量恒星产生的电离光子电离了厚厚的中性氢，使得宇宙变得透明。当它死亡时产生的强烈爆炸，它是如此之亮以至于在宇宙的任何地方都可以看到。目前为止，我们已经看到了宇宙刚形成5亿年之后的伽马射线暴及其超强超新星爆发，这正是大质量恒星死亡时发出的绚丽而明亮的烟花。

宇宙大爆炸（来源：NASA）

　　大质量恒星是其所在星系主要的光源，这使得我们可以看到它们所在的遥远星系。大质量恒星会产生强大的星风，及其死亡时抛出的物质不但会增加星际介质的金属丰度（天文学家们把除了氢和氦的所有物质都称之为“金属物质”，它们的数量占所有原子总数的比率称为“金属丰度”），而且还会促进新的恒星形成。因此，从这方面说，大质量恒星是一个星系的超强发动机。正是由于它们的存在，才使得整个星系充满了活力，生生不息。

大质量恒星的超新星爆炸

　　和所有的恒星一样，大质量恒星在诞生之后，就开始燃烧其核心区的氢，把氢聚变成氦。这是恒星一生中最为漫长的阶段，这个过程占据了其生命的80%以上。当核心区的氢燃烧尽之后，由于没有能量支撑，核心会慢慢收缩，直到点燃氦核。但即使在其主序阶段，整个星体已经开始向外膨胀，并且星风变得越来越强烈。对于超过20个太阳质量的恒星，当氦燃尽之后，随后就是碳、氧、氖、镁、硅依次耗尽，此时，恒星完全变成一个洋葱结构：外面是氢包层，下面依次是氦层，碳层直到铁峰元素核。当核心完全变为铁核之后，由于此时没有能量供给，最后整个星体塌缩，变成一个核塌缩超新星。

　　生命在于自转

　　如果没有自转，所有大质量恒星都会重复着上面的生活。但是自转大大改变了它们千篇一律的生存状态。

　　高速自转的恒星和普通的恒星相比，有着自己完全不同的生活轨迹。首先，高速自转能导致星体内部很强的物质交流（子午环流，或叫爱丁顿流。左图是一个质量为15个太阳，自转速度为300km/s的星，其内部环流情况）。这种物质交流能改变恒星的内部分层结构，极端情况下可以使得恒星内部的核反应物质混合到表面，并且把外部的新鲜氢燃料带到核心区。由于不断被补充新鲜燃料，所以其寿命被明显延长。其次，这种强烈的混合会打破恒星常规的洋葱结构，使得在其演化晚期不会有氢壳层燃烧发生，所以星体不会膨胀很多，一直会保持身材苗条。最后，由于燃烧更为充分，一生可以积累更多的核燃烧后的金属物质。

　　经历过高速自转运动的氮超丰星

　　由此可知，高速自转可以使大质量恒星身材苗条，还能使其延年益寿，永葆青春。但我们银河系中大质量恒星都是新近形成的，有较高的初始金属丰度，因此星风都非常强，对高速自转的大质量恒星的制动效果明显，所以高速自转的大质量恒星非常稀少。在我们银河系，大质量恒星自转速度峰值在90km/s左右。这就像人类一样，都知道坚持锻炼能健康身体，但往往都不能坚持长久。那么如何知道哪些星经历过高速自转阶段呢？

　　氮超丰星是一种氮含量极高的星，一般要高于同类大质量恒星氮含量的10倍以上。早在1970年，美国Walborn先生在他博士期间发现了一颗很奇怪的星HD 201345，它的氮的光谱吸收线异常强。随后又陆续发现了一些氮超丰星。天文学家们用了各种理论模型都不能解释它为什么有这么多氮元素，只是根据它们的碳、氮、氧的比例，发现这种超丰的氮应该是恒星内部的核反应产物。超丰的氮元素究竟从何而来？这个问题一直困扰着天文学家。

　　我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）是目前光谱获取率最高的望远镜，它一次能观测4000个天体目标。截止2019年3月，LAMOST成为世界上首个发布光谱数超过千万量级的光谱巡天望远镜。利用LAMOST光谱数据，我们可以获得恒星沿着视线方向的运动速度。欧洲航空局的盖亚天文望远镜卫星（Gaia）在2018年4月份发布了超过13亿颗恒星的视差和自行数据，使得天文学家可以从中得到恒星距离和垂直于视线方向的运动速度。

图为LAMOST望远镜与星空

　　很幸运的是，我们也在LAMOST的千万光谱中找到了两颗高速自转的氮超丰星，名字分别为：LS I +61 28 和HDE 236672。紧接着收集了所有同时具有视向速度和Gaia天测数据的氮超丰星，然后对它们在银河系内的运动进行了分析，发现这些氮超丰星源于双星相互作用。

　　起初这类星作为伴星处在相互绕转的双星系统中。由于潮汐力作用或者物质吸积，导致了它们自转加速。当主星作为超新星爆炸之后，它们被沿着轨道切向方甩出。由于吸积物质，导致了自身高速自转，高速自转会大大增加赤道附近离心力和赤道半径，从而大幅度降低赤道附近的有效重力加速度。它们自转轴倾角的不同会造成我们看到的表面重力不同：如果它们的赤道正对着我们，我们就会看到高速自转且表面重力小的星（见左下图）；反之，如果它们的两极对着我们，那么我们就会看到自转慢且表面重力大的星（见右下图）。

左图为从赤道方向看高速自转星；右图为沿自转轴方向看高速自转星。（石雅婷绘）

　　大质量恒星的最主要能源来自于通过碳氮氧循环的氢燃烧。在其中，碳氮氧作为催化剂存在，总量保持不变。而碳和氧在这个过程中被转换成了氮，所以总体效果导致氮增加。高速自转会导致的化学元素整体混合，这种混合会把表面上的氢燃料带入核心，而把核心的核聚变过程产生的物质带到表面。从而导致了恒星表面上的氮超丰。

　　综上，这种氮超丰的星，正是我们要找的正在经历高速自转或者已经经历过高速自转的大质量恒星。

　　高速自转与天文学前沿

　　伽马射线暴和引力波事件是当前两个天文学前沿热点。伽马射线长暴被认为是高速自转大质量恒星死亡时的产物。当其死亡时，中心会塌缩成黑洞，而正是由于自身的高速自转，从而导致在黑洞周围形成一个高速绕黑洞旋转的等离子体，进而产生了强大的磁场。当磁极对准地球时，我们就会看到伽马射线爆发了。这种伽马射线长暴一般只持续几十秒，但最远的伽马射线暴能传播130多亿光年到达地球，它是我们研究宇宙黎明时代的强有力工具。

　　自从2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）发现了第一个引力波事件之后，天文学进入了多信使天文学时代。随后在2017年10月份，诺贝尔奖被颁发给在引力波探测方面作出杰出贡献的三个科学家。到目前为止，大多数探测到的引力波事件是几十个太阳质量的双黑洞并合形成的。这类双黑洞一般认为是由两个高速绕转的且高速自转大质量恒星形成的。

　　结束语

　　高速自转是天文学家理解大质量恒星本质的一个重要因素。高速自转的运动可以使得大质量恒星身材苗条，还能使其延年益寿，永葆青春。另外，它也是天文学家理解当前天文热点伽马射线长暴和引力波事件起源的关键。

　　作者简介：李广伟，国家天文台副研究员，主要研究方向为恒星物理。