恒星脈動的原因有哪些?恒星收縮與膨脹也會讓它一閃一閃

過去幾個月來，位于獵戶座的參宿四牽動了許多天文學家及愛好者的心。其亮度一度變暗到人類有記錄以來的最低值，以至于許多人猜測它將立即爆發(fā)為超新星。

但天文學界內的大多數人認為參宿四突然變暗并不是因為它即將成為超新星。圍繞變暗的原因眾說紛紜，其中的一個可能原因是恒星發(fā)生了脈動——即收縮與膨脹。恒星的脈動會使恒星的亮度發(fā)生變化。

近日，一個研究小組假定參宿四在發(fā)生脈動的同時發(fā)生超新星爆發(fā)，計算了脈動對超新星亮度的影響——脈動時，收縮區(qū)域發(fā)出的光變暗，膨脹區(qū)域發(fā)出的光變亮。

作為一個紅超巨星，參宿四的半徑確實在不斷變化，導致其亮度也反復變亮變暗。那么，恒星脈動的原因有哪些?脈動的恒星對于天文學研究有什么重要性?它們都會爆發(fā)為超新星嗎?

周而復始的膨脹與收縮

恒星一生中的大部分時間依靠內部氫聚變?yōu)楹さ倪^程提供能量。聚變產生的能量產生了向外的輻射壓力，而恒星自身的引力向內，兩個力保持平衡，使得恒星保持一定大小。氫聚變的產物是氦，恒星內部積累足夠多的氦且溫度達到1億開爾文后，核心的氦發(fā)生聚變，恒星開始膨脹為紅巨星或紅超巨星。

紅超巨星半徑能夠達到太陽半徑的幾百甚至上千倍，內部物質對表面物質的引力比較弱，表面大氣的翻滾變化，會使恒星的半徑發(fā)生變化，形成脈動。參宿四的脈動就屬于此類。

質量為太陽質量0.5倍的恒星，進入氦燃燒階段后，會先膨脹為紅巨星，然后顏色變黃。質量為太陽好幾倍或者十幾倍的恒星，在進入氦燃燒的某個階段時，也會變黃，成為黃巨星或黃超巨星。這兩大類恒星中的一部分會產生周期性脈動。脈動的根本原因是恒星大氣中的氦。

氦有兩個電子。恒星大氣內某個區(qū)域溫度達到3萬開爾文左右時，氦的一個電子被電離。恒星收縮時，內部溫度升高，當溫度達到4萬開爾文左右時，氦的另一個電子也被電離。自由電子增多，導致恒星大氣的不透明度增高，被俘獲的輻射變多，積累的能量變多，恒星膨脹。膨脹會導致降溫，兩個電子中的一個重新復合回去，恒星大氣不透明度降低，被俘獲的輻射減少，恒星收縮。收縮會導致升溫，電子又被電離，導致以上過程循環(huán)往復，恒星就會反復膨脹收縮。

這樣的脈動導致恒星的亮度發(fā)生周期性變化。質量為太陽質量0.5倍的那些恒星脈動時成為天琴座RR型變星，質量為太陽幾倍或者十幾倍的黃巨星或黃超巨星脈動時成為造父變星。

質量接近太陽質量100倍的恒星也會產生脈動。這類恒星的核心聚變?yōu)檠踔?，氧核聚變產生的光子能量太高，成對地轉變?yōu)殡娮优c正電子對，后者又成對轉變?yōu)橹形⒆优c反中微子對，中微子對輕松地逃逸出恒星，恒星壓力降低，發(fā)生收縮;收縮導致氧核的溫度進一步升高，上述過程更加激烈，形成一個循環(huán)，氧核心產生的能量快速釋放，引起恒星膨脹，將恒星外層物質拋出一部分。這樣的脈動噴發(fā)過程會發(fā)生多次，因此被稱為“脈沖對不穩(wěn)定性”。

用周光關系丈量星系距離

恒星脈動在天文學上有著重要的應用。天琴座RR變星與造父變星亮度變化周期與最大亮度有明確的關系，即周期—光度關系。只要確定了一部分此類變星的精確距離，就可以通過周期—光度關系確定其他同類變星的距離。天文學家利用造父變星的周期—光度關系，先后測量了銀河系內、仙女座星系內以及其他多個星系內造父變星的距離，從而確定了銀河系的形狀與太陽在銀河系內的位置，證明仙女座星系是銀河外的星系以及發(fā)現宇宙正在膨脹等。

天琴座RR型變星與質量小于8個太陽質量的造父變星因為質量太小而無法成為超新星。類似于參宿四的紅超巨星與質量超過8個太陽質量的造父變星會爆發(fā)為超新星。質量接近100倍太陽質量的恒星，在經歷幾次脈動噴發(fā)后，最終會爆發(fā)為超新星或直接塌縮為黑洞。天文學家已經從哈勃空間望遠鏡的照片檔案中發(fā)現了一些超新星爆發(fā)前的圖像，證明有些超新星是紅超巨星爆發(fā)而成、有些超新星是黃超巨星直接爆發(fā)而成。這意味著造父變星有可能直接爆發(fā)為超新星。

需要注意的是，恒星成為天琴座RR型變星或造父變星后，一般不會永遠處于這樣的變星狀態(tài)，而會在某個階段不再脈動，并演化為其他類型的恒星。大質量的造父變星雖然可能直接爆發(fā)為超新星，但更多時候會在結束脈動后再爆發(fā)為超新星。(王善欽)

關鍵詞： 恒星 收縮 膨脹