“手舞足蹈”的星星是太“无聊”了?也可能是太“胖”了……
来源:天文在线
发布时间:2024-04-30
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红超巨星的舞蹈,是濒死挣扎,还是耀眼的喷发使然?

红超巨星因含有过多气体而“舞蹈”,它们产生的光芒四处摇晃,使它们难以倒转过来。

一位艺术家想象中的一颗环绕红超巨星运行的系外行星。远处的明亮光芒来自于一颗尺寸相仿的恒星。

(图片来源:笔秀网)

科学家们终于能够解释为什么一些大质量恒星看起来像是在天空中舞蹈,即使它们并没有真的在运动。根据一项新的研究,这些恒星有不寻常的、气泡般的核心,使它们的表面摇晃,同时改变它们发出的光的总量。

这些跳舞的恒星被叫做红超巨星,它们是曾经膨胀后又冷却了的、临近生命尽头的巨大天体。这些恒星的质量大约是太阳的八倍,直径则可能达到太阳的700倍——这个尺寸相当于太阳的表面被扩张到了火星轨道之外(如果把它放在太阳的位置上,它可以逐步吞没水星、金星、地球、火星)。然而,即使它们的身材如此庞大,准确判断出这些正缓慢走向死亡的巨头们的位置,也是一项极具挑战的任务。

一般情况下,通过识别一颗恒星的光学中心,也就是它所发出的光线的中心——通常和它的引力中心或重心完美匹配,天文学家们可以判断出它的大致位置。在大部分恒星中,光学中心具有固定的位置。然而,在红超巨星当中,这些点则在星体里晃动,随着时间的推移不断地移到另一边。恒星的重心表明了它在宇宙中的确切位置,而且并不像光学中心那样抖动,然而光学中心的这种运动使得确认引力中心变得十分困难。

在这项新研究里,研究人员们将“跳舞”的红超巨星和较小的主序星——处于生命中平稳阶段的恒星们进行比较。利用来自航天局(ESA)的盖亚太空天文台的数据,科学家们观察了英仙座星团中的恒星——那是一个距太阳系7500光年的高密度恒星。

这项研究的共同作者是夏威夷大学天文学家、德国慕尼黑天体、粒子与生物物理研究所董事罗夫·库德里斯基在一份声明中说:“我们发现红超巨星的位置的不确定性比其它恒星要大得多”。为了发现这些恒星摇晃的底层逻辑,研究团队创建了红超巨星表面强度的地图,测量并计算它们发出的辐射,同时利用流体动力模拟器来表现它们三维外壳上的变动。

这些地图表明,红超巨星的表面极富动态变化,随着时间推移,许多块状的气体结构不断地形成,而后消失,爆发出比表面上其它区域更多、更密集的能量。这些生命短暂但依旧十分强大的结构,燃烧得比恒星表面其余的位置更为明亮,造成了恒星光学中心的偏移:如果一个明亮的结构闪现在一颗红超巨星的左侧,它的光学中心会向左移动。

研究过程中建立的其中一个表面地图。视频表现了红超巨星的表面如何在数月和数年之间发生变化。浅橙色和黄色的区域拥有更大的强度,相比起低强度的红色和黑色区域,它们产生更多的光。

(图片来源:A.基亚瓦萨等. 2022)

红超巨星的巨大尺寸也许能解释这种情形发生的原因。大部分恒星的外壳都由数千个相邻的对流胞组成——它们是由旋转的气体(主要是氢气与氦气)构成的、被拉长的小区域,将来自恒星内部的更热的气体转运到恒星的外表面,在那里,这些炎热的气体变冷并重新下沉,就像熔岩灯里的气泡那样。

然而,由于红超巨星的体型庞大,它们表面的重力比内核要弱很多。因此,它们的对流胞比其它恒星要大得多,大约能占到一个红超巨星本身半径的20%到30%,或达到其直径的40%到60%。根据研究,更大的对流胞能将更多的气体输送到恒星的表面,也因此创造出了那些足以使星体的光学中心发生变化的高强度的明亮结构。

研究团队的数据显示,这些表面结构的尺寸不尽相同,这决定了它们将在附近停留多久。这项研究的领头作者,来自里斯的拉格朗日实验室和慕尼黑的马克思·普朗克天体物理研究所(MPIA)的天文学家安德烈亚·基亚瓦萨在声明中说:“那些最大的结构通常能持续数个月甚至数年,与此同时,较小的结构在数周内就会完成演化。这表明这些恒星的光学中心的位置处于不断的变动中。”

这个视频展示了一颗红超巨星的光学中心是如何随时间变化而移动的,这使它看起来像是在太空中摇摆。

(图片来源:A.基亚瓦萨等. 2022)

天文学家们猜测红超巨星在星系的演化中扮演重要的角色;这些庞大的星体会喷射出巨量的气体和重元素,这对新恒星和系外行星的诞生至关重要。对于释放这些重要材料的喷发过程来说,超级巨星的大而明亮的表面结构很有可能有所贡献。未来对这些恒星的“摇晃”的研究也可能帮助还原它们发生的确切过程。

“这些红巨星在天空中的”舞蹈“规律可以告诉我们更多关于它们沸腾的外表皮的信息,”研究的共同作者,MPIA董事塞尔马·德·明克在声明中说道,“我们将能提取出关于星体动态变化的更多关键信息,更好地理解造成这些恒星的强烈对流运动的物理过程。“

BY:Harry Baker

FY: 奈亚拉托离谱

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