練成了吸星大法，但代價(jià)是什么呢︱藍(lán)離散星的離奇星途

72年前的1953年，天文學(xué)家桑德奇（Allan Sandage）在期刊《天文學(xué)報(bào)》（Astronomical Journal）上發(fā)表論文[1]，他仔細(xì)統(tǒng)計(jì)分析了球狀星團(tuán)M3中的恒星在赫羅圖中的分布，首次發(fā)現(xiàn)了一批在后來被稱為「藍(lán)離散星」（Blue Straggler Star，BSS）的特殊恒星。

這些藍(lán)離散星「特殊」在哪呢？如果我們在宇宙中隨機(jī)選取恒星，標(biāo)記他們在赫羅圖上的位置，會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分恒星會(huì)落在一條傾斜的帶狀區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域稱為主序，在區(qū)域內(nèi)的恒星就稱為主序星。

赫羅圖︱Wikipedia@Richard Powell

如果統(tǒng)計(jì)某個(gè)星團(tuán)內(nèi)恒星的赫羅圖分布，也就是桑德奇的研究，理論上會(huì)是怎么樣的呢？和隨機(jī)取星不同的是，由于同一星團(tuán)中的恒星誕生時(shí)間幾乎一致，元素組成也相同，只有質(zhì)量/光度上的區(qū)別。而質(zhì)量越大的恒星停留在主序的時(shí)間越短，所以星團(tuán)恒星不會(huì)全部落在主序上，主序上的恒星分布會(huì)在某個(gè)位置出現(xiàn)拐點(diǎn)。拐點(diǎn)之上的恒星由于質(zhì)量更大，已經(jīng)離開主序朝紅巨星演化。

隨著時(shí)間推移，同一星團(tuán)的赫羅圖主序拐點(diǎn)會(huì)逐漸下移，因?yàn)橛懈嗪阈请x開主序︱Pearson

以上是根據(jù)當(dāng)前恒星演化理論所作的推導(dǎo)，那么實(shí)際情況又如何呢？桑德奇注意到，在球狀星團(tuán)M3的恒星赫羅圖中，主序拐點(diǎn)之上并非一片空白，而是有一些零零散散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些恒星按照其呈現(xiàn)的光度是本應(yīng)離開主序的較大質(zhì)量恒星，但如今卻仍然停留在主序上。這些恒星的光譜相比同樣質(zhì)量的恒星更偏藍(lán)，故桑德奇和另一位天文學(xué)家伯比奇（E. Margaret Burbidge）于1958年正式提出「藍(lán)離散星」的概念來稱呼這類似乎游走于恒星演化理論之外的特殊恒星[2]。

球狀星團(tuán)M3的恒星赫羅圖，箭頭處為藍(lán)離散星︱參考文獻(xiàn)[4]

藍(lán)離散星的存在說明有一些恒星的演化進(jìn)度要落后于同質(zhì)量恒星，那么藍(lán)離散星的形成是否如他的名字一樣，需要一種游離于傳統(tǒng)理論之外的解釋呢？

首先來討論一種很直觀的可能性：既然與藍(lán)離散星同質(zhì)量的恒星已經(jīng)朝紅巨星演化，會(huì)不會(huì)有一種物理機(jī)制可以讓紅巨星「返老還童」回到主序呢？比如吸收其他恒星的物質(zhì)？

首先，紅巨星天生就沒有吸積伴星質(zhì)量的命。在雙星系統(tǒng)中，紅巨星往往是輸質(zhì)星（donor）而非吸積星（accretor），所以不是它吸伴星，而是伴星吸它。即便是通過一些極端手段讓紅巨星獲得來自主序星的物質(zhì)（比如將一顆太陽級(jí)別的主序星丟進(jìn)紅巨星），也不會(huì)改變紅巨星脫離主序的事實(shí)。因?yàn)橹餍蛐桥c紅巨星除了外觀上的顯著差異，一個(gè)本質(zhì)區(qū)別是恒星核心的氫是否已經(jīng)消耗殆盡。

當(dāng)一顆恒星核心的氫耗盡，就會(huì)進(jìn)入下一個(gè)演化階段︱Pearson

當(dāng)一顆主序星核心的氫耗盡，核心處氫核聚變停止，氫聚變會(huì)在核心區(qū)外圍繼續(xù)。此時(shí)核心處充滿了氫核聚變的產(chǎn)物氦，但核心溫度不足以引發(fā)氦聚變，輻射壓降低，流體靜力平衡被打破，氦核會(huì)在引力作用下開始坍縮，釋放引力勢能，使得核心溫度升高。

氦核形成后的恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)︱Pearson

更高的核心溫度會(huì)加速核心外圍仍在進(jìn)行的氫聚變，產(chǎn)生能量的速度會(huì)超過原主序星階段，因此在核心區(qū)外圍，向外的輻射壓會(huì)壓倒向內(nèi)的引力，使得恒星不參與聚變的外層物質(zhì)膨脹并冷卻，最終形成我們所見的紅巨星。

流體靜力平衡是恒星穩(wěn)定存在的關(guān)鍵，當(dāng)平衡被打破，恒星就會(huì)收縮或膨脹︱Pearson

想要逆轉(zhuǎn)上述過程讓紅巨星回歸主序星，唯一的辦法是將恒星核心無法反應(yīng)的氦拿走，補(bǔ)充新鮮的氫，讓核心重啟氫核聚變，但這無異于重造一顆恒星。過去曾經(jīng)有數(shù)值模擬結(jié)果顯示兩顆等質(zhì)量主序星碰撞有可能導(dǎo)致碰撞產(chǎn)物的物質(zhì)完全均勻混合，使恒星回歸零齡主序重新演化。但后續(xù)的研究又基本否定了這種可能性[3]。

看來在現(xiàn)實(shí)中并不存在從紅巨星「逆生長」到主序星的可能性，那么藍(lán)離散星到底是如何形成的呢？經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)對(duì)藍(lán)離散星的觀測分析以及各種數(shù)值模擬，目前認(rèn)為藍(lán)離散星主要有三種形成機(jī)制，分別是雙星并合（Binary merger）、恒星碰撞（Stellar collision）以及雙星物質(zhì)轉(zhuǎn)移（Binary mass transfer）[4]。

藍(lán)離散星的三種形成機(jī)制︱參考文獻(xiàn)[4]

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，目前在星團(tuán)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的藍(lán)離散星質(zhì)量一般不會(huì)超過星團(tuán)主序拐點(diǎn)質(zhì)量的兩倍，結(jié)合藍(lán)離散星的形成機(jī)制，藍(lán)離散星的前身恒星要么是兩顆低于拐點(diǎn)質(zhì)量的主序星碰撞/并合而成，要么是一顆主序星一顆紅巨星，主序星吸積紅巨星物質(zhì)變?yōu)樗{(lán)離散星，紅巨星失去外層物質(zhì)后內(nèi)核繼續(xù)演化為白矮星等致密天體。

藍(lán)離散星在不同環(huán)境下的性質(zhì)匯總︱參考文獻(xiàn)[4]

過去一些科普喜歡給藍(lán)離散星打上「返老還童」、「吸血續(xù)命」一類的標(biāo)簽，這不僅容易引發(fā)歧義，而且與事實(shí)相悖。

藍(lán)離散星和已經(jīng)離開主序的同質(zhì)量恒星相比確實(shí)更顯「年輕」，但藍(lán)離散星是通過合并或吸積達(dá)到當(dāng)前質(zhì)量的，對(duì)比在誕生時(shí)就擁有相同質(zhì)量的恒星，兩種恒星看似可以根據(jù)質(zhì)量大小視為有一致的演化路徑，但它們實(shí)際經(jīng)歷的天體物理過程截然不同，相互間也不存在轉(zhuǎn)化的可能。

跟前身恒星相比，藍(lán)離散星本質(zhì)上是從一顆較低質(zhì)量的主序星變成了較高質(zhì)量的主序星，由于質(zhì)量增大，停留在主序的時(shí)間反而會(huì)縮短，也會(huì)更快走完恒星的一生。如果把離開主序看作是恒星「衰老」的開始，藍(lán)離散星會(huì)比前身恒星更早衰老和死亡。

參考&拓展

[1]https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1953AJ

[2]https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1958ApJ...128..174B

[3]新宇,鄧?yán)畈?梁艷春.藍(lán)離散星研究現(xiàn)狀(Ⅰ):形成機(jī)制[J].天文學(xué)進(jìn)展,2006,(02):129-141.

[4]https://arxiv.org/abs/2410.10314

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