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參宿四同人類一樣年輕?它可能是在幾十萬年前由兩顆恒星合并而成
2023/02/09

現代人,或者說智人,只存在了大約25萬年。從宇宙學的角度來說,那只是一眨眼的功夫。事實證明,參宿四可能只有同樣的年齡。

一項新的研究探索了參宿四是在幾十萬年前由兩顆恒星合并而成的觀點。

這項研究的題目是「參宿四是過去合并的結果嗎?」主要作者是馬諾斯·查佐普洛斯,路易斯安那州立大學物理學和天文學助理教授。這項研究可在網上公開檔案館arXiv.org查閱。

參宿四,或稱獵戶座α星,是天空中第十亮的恒星。在北半球,獵戶座在冬季尤為突出。它是一顆紅色的超巨星,肉眼可以清楚地看到它的紅色。

獵戶座的地面拍攝圖像。 

今年早些時候,參宿四因其亮度的變化而成為頭條新聞。變化的光度是神秘的,有些人懷疑這是否意味著恒星很快就會變成超新星。但參宿四本身比它的光度變化更神秘。

參宿四可能是一顆逃逸的恒星,從它的誕生地獵戶座OB1被逐出。它以大約30公里/秒的速度穿過星際介質(ISM),并產生了超過4光年寬的巨大弓形沖擊。這就是參宿四的恒星風撞上ISM的地方。

參宿四的自轉速度也很快,大約為5.5公里/秒,而我們的太陽的自轉速度只有2公里/秒。它是巨大的。如果它位于太陽系的中心,它的軌道將吞沒水星、金星、地球、火星,甚至木星。

在他們論文的導言中,作者寫道:「我們認為,能夠解釋參宿四的快速旋轉及其觀測到的高空間速度的最佳方案是,一個雙星在幾百萬年前被其母星團動態驅逐,然后合并。 」

參宿四占了很大的空間。像它這樣的紅色超級巨星是宇宙中體積最大的恒星,它們燃燒了核心的大部分氫并膨脹。物理學規定,當物體膨脹時,它們的旋轉會減慢。這有時被稱為「花樣滑冰者」效應,因為花樣滑冰者在旋轉時,會張開雙臂來減緩旋轉速度。(但這實際上是角動量守恒。)

但是參宿四的旋轉速度比它應該的要快。事實上,不僅僅是參宿四旋轉的速度比它應該的要快,其他一些亮星也這樣。作者寫道:「大規模觀測調查序列恒星已經表明,它們中的許多以高達450公里的速度旋轉。 他們還指出開普勒發現了處于巨大相位的恒星,它們的旋轉速度比太陽快18倍。」

這引出了另一個關于恒星的觀測事實:許多恒星是雙星對。根據Chatzopoulos和論文的其他作者的說法,這意味著在形成像參宿四這樣的恒星方面,合并所起的作用可能比天文學家想象的要大。

「這些發現,加上觀察到大多數(60%)的大質量恒星是雙星系統的成員,而這些系統中的大多數大質量恒星有時會經歷雙星相互作用,其中三分之一甚至會經歷合并,這指出了研究恒星合并對大質量恒星旋轉特性長期演化影響的重要性。」

這是天文學家小組認為發生的事情。

在過去的一段時間里,可能是幾百萬年前,參宿四和它的雙星同伴被從獵戶座OB1出生地驅逐出去。主星的質量約為16個太陽質量,次星的質量約為2或3個太陽質量。

當較大的恒星離開主星序,演化成紅色超巨星相時,其包絡線擴大。最終,大恒星的包絡線擴展到200到300個太陽半徑,大恒星包圍了小恒星。然后,這顆新星的速度和它巨大的包絡線被「旋轉」到與參宿四幾千年來的觀測結果一致的范圍內。

從一個模擬合并的研究中得到的圖像。左面板顯示二進制對的初始數組。右圖顯示了圍繞主星核心的次恒星的潮汐力瓦解。這些顏色顯示出不同的氣體密度。 

有趣的是,根據研究中的模型,二級恒星的死亡螺旋發生得很快。「在75個軌道里面,第二個軌道與主軌道接觸,隨后經歷了對最初核心的一種旋進,直到它被潮汐力所瓦解。 后一階段持續了5天。」

參宿四的大氣中氮含量也異常高。據研究人員稱,這也可以通過合并來解釋。當伴星被吞噬時,它可能會從較大恒星的核心中攪動氮氣。

在他們的論文的結論中,研究小組寫道,恒星合并是「宇宙中普遍存在的特征」,是「快速旋轉的巨星和超巨星的合理形成通道……」

但他們也承認,還有另一種可能解釋像參宿四這樣快速旋轉的紅色超級巨星。

「另一種情況是,參宿四的前身是由雙星吸積而成,并由伴星的超新星爆炸釋放出來,這需要一組經過微調的條件,但不能排除這種可能性。」

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