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O型星:一生逃不出“襁褓”的最热恒星

2021-07-29 09:04

O型星的寿命非常短,一个120倍太阳质量的O型星,寿命仅为300万年,而质量最小的O型星,寿命也只有1300万年。这就导致了这些O型星往往终其一生也无法离开它们的出生星云,所以婴儿时期的主序O型星很难被发现。

通常,正常的恒星按其光谱特征被分为O、B、A、F、G、K、M型。这个分类序列也代表着一个温度序列,其中O型星温度最高,而M型星温度最低。随着观测技术的发展,最近人们发现了更冷的L和T型星,甚至还有最冷的Y型星。

大多数人对恒星的认识,几乎都来自于常见的F、G、K型星。但作为最早的O型星,其质量一般要超过16倍太阳质量,温度在3万摄氏度以上,光度至少是几万个太阳光度,与我们常见的F、G、K型星相比,O型星有自己独特的性质。

婴儿时期的O型星很难被发现

O型星光度的划分标准,与我们常见的F、G、K型星的划分标准有本质的不同:O型星的光度是根据星风强弱划分,而常见的F、G、K型星是根据核心区是否有氢燃烧划分。当F、G、K型星的能量来自中心的氢燃烧,我们就说它们是矮星,否则就不是矮星。但对于O型星来说,当中心氢仍然在燃烧时,其表面星风有可能已经非常大了,从而被划为O型超巨星,而从常见的冷星光度划分标准看,此时它应该是矮星。

虽然O型星的质量一般要超过16倍太阳质量,温度在3万摄氏度以上,但它的可见光波段的颜色几乎和一颗质量为2倍太阳质量、温度为1万多摄氏度的A型星相差不大。这是因为O型星的辐射主要是在紫外波段,温度的增加不会明显影响其可见光波段的颜色。

O型星的寿命非常短,一个120倍太阳质量的O型星,寿命仅为300万年,而质量最小的O型星,寿命也只有1300万年。这就导致了这些O型星往往终其一生也无法离开它们的出生星云,所以婴儿时期的主序O型星很难被发现。

由于它们深埋在星云深处,有厚厚的尘埃遮挡,存在很大程度的消光和红化,从而变得非常昏暗且颜色很红,看起来与常见的F、G、K型星类似,仅通过测光颜色无法把O型星从众多的银盘场星中分辨出来。

O型星光谱即使是在矮星阶段短时间内常常也会发生变化。这种变化多数是由于双星或多星引起的。因为大质量恒星往往处在双星系统甚至是多星系统中,超过70%的大质量恒星处于密近双星系统,随着演化都会与其伴星产生物质交流。而这种密近双星很难在测光上分开。因此我们看到的O型星光谱其实是两颗或多颗星的混合光谱。

我们很难从其光谱类型中直接推导出O型星的质量。对于常见的F、G、K型星来说,如果知道其光谱类型,其质量和演化状态基本上就能定下来。但对于O型星来说,光谱类型只能对应着一个很大的质量范围。

LAMOST新发现135颗O型星

O型星在主序阶段(指恒星内部发生热核反应燃烧氢元素并保持稳定的阶段)光度能变化约0.2—0.4dex,但过了主序之后,其光度变化幅度非常小。也就是说,一颗处于演化晚期的O型星,其光度与主序光度相差不大。因此一个O型星的光度几乎主要由其初始质量决定,而与其所处的演化阶段关系不大。

一颗小于25倍太阳质量的O型星,可以演化到红超巨星(RSG)。但是由于金属丰度越大星风越强,就越容易把外包层吹掉,所以金属丰度越低,外包层越容易保留,进而越容易演化到红超巨星阶段。

当然,自转也会影响O型星演化。自转对大质量恒星演化很重要。因为高速自转会导致大质量恒星内部的物质混合,进而把外面新鲜的氢带入核心区域,从而改变恒星的演化轨迹,同时也延长了恒星的寿命。

O型星死亡时会成为核塌缩超新星。我们可以通过确定这些超新星爆炸的前身,来了解和约束大质量恒星的演化模型和超新星爆炸机制。

O型星非常稀少,据估计,银河系内只有几万颗O型星。当今最大的O型星星表库也只包含了590颗O型星,这是人类积攒了上百年的观测成果。而郭守敬望远镜(LAMOST)一次性就发现135颗新的O型星,极大地丰富了当前的星表库。基于LAMOST的O型星表,科学家找到了目前银河系自转速度最快的恒星,自转速度最快的O型氮超丰矮星,也第一次给出了氮超丰O型星的起源解释。

O型星的一些性质和我们常见的F、G、K型星有很大的不同。LAMOST等望远镜获得的巡天光谱数据和将来中国空间站望远镜低色散光谱将会帮助我们更加深入地了解O型星及其演化。

(李广伟 作者系中国科学院国家天文台副研究员) 

责任编辑:郑涛(QV0003)

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