恒星中的怪家伙們

石無魚

恒星是宇宙中最主要的成員，僅在我們銀河系中就有上千億顆恒星。當(dāng)然，它們中多數(shù)是泯然大眾，或多或少遵循著既定的生命軌跡演化，天文學(xué)家也基本掌握它們的演化規(guī)律。但我們也會不時(shí)遇見一些奇怪的家伙，它們的特征和習(xí)性是如此古怪，以至于挑戰(zhàn)了我們對物理學(xué)的理解。

這些奇怪的家伙有從雙胞胎自相殘食的恒星到制造“不可能”元素的恒星，再到拒絕死亡的恒星，總之用現(xiàn)在的天體物理學(xué)理論很難解釋。下面我們介紹宇宙中一些最奇怪的恒星。

一些恒星正在從我們的銀河系脫離。這是天文學(xué)家對幾十顆恒星的觀察中得出的結(jié)論。這些恒星的運(yùn)動速度是如此之快，甚至銀河系的引力也拽不住它們。最快的是S5-HVS1，速度達(dá)到1700千米每秒。目前，它已進(jìn)入荒涼的星系際空間。

但是，一顆恒星是如何加速到這么快的呢？

2005年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一顆超高速恒星，它似乎來自銀河系的中心。我們知道，銀河系中心盤踞著一頭“巨獸”——超大質(zhì)量黑洞。會不會是它把人家嚇得沒命奔逃？果不其然，天文學(xué)家的計(jì)算表明，如果一對雙胞胎恒星路過黑洞，靠得太近，黑洞就會抓住其中一顆吞吃掉，把另一顆往外拋射。

2018年，天文學(xué)家在調(diào)查了距離太陽最近的一顆超高速恒星LAMOST-HVS1之后，這個(gè)情節(jié)變得更為充實(shí)。這顆恒星似乎是從一個(gè)星團(tuán)（很多恒星聚集形成的集團(tuán)，與星系不同的是，星團(tuán)沒有中心）中被拋射出來的，這很奇怪，因?yàn)樾菆F(tuán)中并沒有黑洞呀——至少我們是這么認(rèn)為的。但是，如果這個(gè)星團(tuán)中也含有黑洞——只不過不是盤踞中心、君臨萬物的那種超大質(zhì)量黑洞，而是中等質(zhì)量的黑洞——那現(xiàn)有的理論也能解釋。所以，天文學(xué)家猜測，在這個(gè)星團(tuán)中或許存在著迄今不為人知的黑洞。

S5-HVS1被銀河系中心的黑洞拋射出來（想象畫）

最讓人感興趣的是，研究超高速恒星的運(yùn)動，或許能幫助我們理解暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是天文學(xué)家假設(shè)的一種物質(zhì)，它們跟普通物質(zhì)只有引力作用，沒有電磁力作用，所以我們的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡都探測不到它們。但它們對于宇宙的演化又至關(guān)重要，如果沒有它們的引力，很多星系（包括銀河系）早就解體了。一般認(rèn)為，銀河系中心附近，分布著一團(tuán)暗物質(zhì)云。天文學(xué)家現(xiàn)在感興趣的是，希望通過研究從銀河系中心拋射出的超高速恒星的軌跡，來推斷出這團(tuán)暗物質(zhì)云的形狀。因?yàn)槌咚俸阈窃谝宦繁寂芡局?，軌跡肯定要受暗物質(zhì)云引力的影響，這個(gè)引力，又跟暗物質(zhì)云的形狀有關(guān)。一環(huán)套一環(huán)，而暗物質(zhì)云能形成如此這般的形狀，又跟它自身的作用力有關(guān)。所以，如果知道了暗物質(zhì)云的形狀，我們可以更好地了解暗物質(zhì)自身是如何相互作用的（比如，暗物質(zhì)之間除了引力之外，會不會存在別的作用力），從而為確定暗物質(zhì)的身份提供新的線索。

1961年，波蘭天文學(xué)家安東尼·普茲比斯基在觀測中發(fā)現(xiàn)恒星HD 101065的光譜與眾不同。后來，這顆恒星被稱為普茲比斯基恒星。

光譜是恒星的“條形碼”。它們的特征是，在一條明亮的、顏色循序漸進(jìn)變化的光帶上，分布著一條條暗線。暗線在光譜中的位置可以告訴我們恒星的化學(xué)成分，譬如恒星里有哪些元素。通常這些暗線數(shù)量有限，截然分明，很容易識別，但普茲比斯基恒星暗線數(shù)量之多，彼此交疊，使得我們很難確定這顆恒星里到底有些什么元素。

2008年，一個(gè)天文學(xué)家小組聲稱，他們從普茲比斯基恒星的光譜中識別出一組來自錒系元素的暗線。這是夠令人吃驚的，因?yàn)殄H系中一些較重的成員在自然界中并不存在，只能在粒子加速器中合成。它們不僅極難產(chǎn)生，還會迅速衰變。例如，以愛因斯坦的名字命名的元素锿，其壽命只有472天。這樣的元素在恒星一生中早就該消耗殆盡了，哪還會留存至今！除非……除非它們能源源不斷地得到補(bǔ)充。

一條典型的恒星光譜和暗線

因此，一些天文學(xué)家懷疑，來自普茲比斯基恒星的怪異光譜可能是所謂的“穩(wěn)定島”存在的第一個(gè)證據(jù)?！胺€(wěn)定島”是核物理學(xué)家設(shè)想的元素周期表中的一塊地方，這里的元素雖然超級重，但異常穩(wěn)定（一般來說，元素越重，越不穩(wěn)定）。這些元素被認(rèn)為在自然界中不太可能存在，只能通過加速器，讓兩個(gè)較輕的原子核高速碰撞，融合在一起，才能制造出來，而且一旦產(chǎn)生，就足夠穩(wěn)定，可以存在數(shù)千萬年。但這些同位素至今為止未能合成。

在自然界中，唯一能產(chǎn)生這些超重元素的地方是超新星內(nèi)部。超新星是某些恒星死亡之前的一次大爆炸，它釋放的能量是如此之大，可以與恒星一生緩慢燃燒釋放的能量相當(dāng)。爆炸產(chǎn)生的難以置信的高溫高壓，為超重元素的合成創(chuàng)造了條件。

考慮到這一點(diǎn)， 2017年有天文學(xué)家提出，也許普茲比斯基恒星附近曾經(jīng)有一顆超新星，其爆炸產(chǎn)生的沖擊波可能攜帶了數(shù)量可觀的超重元素到普茲比斯基恒星上。這些超重元素在緩慢衰變，而衰變產(chǎn)物就是錒系元素（如锿）。雖然锿本身衰變很快，但超重元素衰變很慢，所以恒星大氣中的锿總能得到補(bǔ)充。這個(gè)道理就好比一個(gè)水池，盡管水從出水口流出很快，但只要始終有涓涓細(xì)流流入，那么池子里就會始終有水流過。

這個(gè)解釋很漂亮，但也有天文學(xué)家提出警告：普茲比斯基恒星中是否真的有锿元素，還需要進(jìn)一步核實(shí)。理由是，這顆恒星的表面溫度在6600K左右，比大多數(shù)恒星都高。在這種條件下，其大氣層中的原子外層電子被剝離，變成了離子。它們發(fā)射的光譜就不再是我們平常所熟悉的原子光譜，而是離子光譜了。離子光譜是相當(dāng)復(fù)雜而紊亂的，靠它來識別元素很不容易，所以很可能是一種普通元素被我們誤認(rèn)成了锿。

每一天都有恒星在宇宙的某處把自己炸成碎片，這就是前面提到過的超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)是大質(zhì)量恒星生命旅程的最后一幕，只有當(dāng)恒星內(nèi)部核反應(yīng)燃料耗盡時(shí)才會發(fā)生。既然如此，這種事情對于任何一顆恒星，一生都只能發(fā)生一次。你能想象，一顆恒星一次又一次超新星爆發(fā)嗎？

可是，還真是有一顆死了一次又一次的恒星。這顆名為iPTF14hls的超新星發(fā)現(xiàn)于2014年。在隨后將近兩年的時(shí)間里，天文學(xué)家目睹它爆發(fā)不下于5次，而且從天文臺的存檔中查出，它可能早在1954年就已經(jīng)在爆發(fā)了，只是當(dāng)時(shí)沒引起人們注意。這樣看來，它就像傳說中的鳳凰，不斷地涅槃，然后浴火重生。

不過，正當(dāng)大家逐漸習(xí)慣了它一次次的死亡表演時(shí)，這顆超新星最近卻突然失蹤了。是它最后一次總算玩了真格？還是跟我們又玩起了捉迷藏游戲？目前無人能知。

拒絕死亡的超新星iPTF14hls

也許最奇怪的是，對這顆恒星的光譜分析表明，每次爆發(fā)它都是一顆完全正常的、似乎剛剛才爆發(fā)的超新星。

對此現(xiàn)象，目前還沒有確鑿的解釋。最好的猜想是，這顆恒星非常巨大，其內(nèi)部溫度之高，足以形成反物質(zhì)（在實(shí)驗(yàn)室中，需要把粒子加速到極高能量，相互碰撞，才能產(chǎn)生反物質(zhì)粒子）。物質(zhì)與反物質(zhì)相互湮滅，從而引發(fā)了爆炸。這一過程在過去發(fā)生過好幾次，但因?yàn)榉次镔|(zhì)畢竟遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于物質(zhì)，每次爆發(fā)都沒有導(dǎo)致恒星徹底毀滅。而且，正反物質(zhì)湮滅之后，完全轉(zhuǎn)化成了光子，沒有合成任何新的元素。換句話說，沒有任何歷史的痕跡遺留下來，所以從光譜上看，每一次爆發(fā)都像一次全新的開始。

有一顆恒星似乎比宇宙還古老，除非宇宙比我們想象的更古老。

HD 140283距離地球約200光年，幾乎全部由氫和氦構(gòu)成。這表明，它是最早形成的恒星之一，因?yàn)榇蟊ㄖ酰钪嬷兄挥羞@兩種元素，其他重元素（比氫、氦原子序數(shù)大的元素）都是后來合成的。所以，恒星中重元素的含量可以揭示它們大致的年齡。

據(jù)估計(jì)，HD 140283的年齡約為144.6億年。而且因?yàn)樗猩倭恐卦兀钥梢钥隙ㄋ€不屬于第一代恒星。這樣推算，宇宙的年齡比144. 6億年還大?？墒?，我們從宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型推算出來的宇宙年齡是大約138億年。于是，出現(xiàn)這樣一個(gè)哭笑不得的結(jié)論：恒星HD140283的年齡比宇宙還大！

所以，要么是用來計(jì)算宇宙年齡的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型錯(cuò)了，要么是用來計(jì)算恒星年齡的天體物理學(xué)理論錯(cuò)了。所有這一切都表明，我們對宇宙早期的了解是多么的少。

在決定誰是銀河系中最大的恒星時(shí)，有一些巨大的競爭者。2013年，天文學(xué)家測量了三顆紅色超巨星。他們發(fā)現(xiàn)，這三顆恒星都比太陽大1000倍。最終，冠軍是UYScuti。

UY Scuti實(shí)際上是一顆超級巨恒星，據(jù)估計(jì)它比太陽大1708倍。如果它在我們的太陽系取代太陽，其半徑將跨越木星軌道，涵蓋土星軌道的大部分。論亮度，UY Scuti是太陽的30萬倍。

不過，它作為銀河系最大恒星的地位仍有爭議。另一組天文學(xué)家認(rèn)為，這顆恒星比人們普遍認(rèn)為的離地球更近。如果是這樣的話，UYScuti 要小一些，也許只有太陽的825倍。

即使按最大來估計(jì)，UY Scuti比起在大麥哲倫星云（一個(gè)環(huán)繞著銀河系運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星星系）中的恒星WOH G64仍然要相形見絀。WOHG64的大小介于1540到2575倍太陽之間。

Algol是夜空中肉眼可見的亮度周期性變化的恒星之一。每隔2.867天，它會消失10個(gè)小時(shí)，然后亮度恢復(fù)正常。這一“眨眼”讓古希臘人將其標(biāo)記為蛇發(fā)魔女梅杜莎的眼睛。據(jù)說，人朝梅杜莎看上一眼，就會化為石頭。

我們現(xiàn)在了解到，Algol是雙星系統(tǒng)中的一顆。它和它的兄弟恒星相互繞著共同的中心公轉(zhuǎn)，從地球上看，它們定期相互遮擋?；蛘哒f，定期發(fā)生星蝕。

但其穩(wěn)定的2.867天的公轉(zhuǎn)周期仍然是一個(gè)謎。按天文學(xué)家的理解，公轉(zhuǎn)周期這么短，說明它們彼此轉(zhuǎn)動得非?？?，恒星之間的距離非常近。但如此一來，一顆恒星就免不了要從另一顆上抽吸氣體。根據(jù)動量守恒定律，這一抽吸動作會慢慢地將它們推開（就像一個(gè)人朝你扔來一個(gè)速度很高的籃球，你接住的同時(shí)，身體會不由自主地往后退），距離拉長，從而也延長了公轉(zhuǎn)周期。但這一切天文學(xué)家并沒有看到。

在這件事情上，或許古人已經(jīng)為我們準(zhǔn)備了答案。古埃及人的歷法中，一些特殊的日子是以Algol的星蝕為基礎(chǔ)的。有人發(fā)現(xiàn)，今天Algol的公轉(zhuǎn)周期比那個(gè)時(shí)候延長了20分鐘左右。這就容易用兩顆恒星的自相殘食來解釋了。