恒星收缩与膨胀也会让它一闪一闪

王善钦

2020年04月10日  来源：科技日报

　　过去几个月来，位于猎户座的参宿四牵动了许多天文学家及爱好者的心。其亮度一度变暗到人类有记录以来的最低值，以至于许多人猜测它将立即爆发为超新星。

　　但天文学界内的大多数人认为参宿四突然变暗并不是因为它即将成为超新星。围绕变暗的原因众说纷纭，其中的一个可能原因是恒星发生了脉动——即收缩与膨胀。恒星的脉动会使恒星的亮度发生变化。

　　近日，一个研究小组假定参宿四在发生脉动的同时发生超新星爆发，计算了脉动对超新星亮度的影响——脉动时，收缩区域发出的光变暗，膨胀区域发出的光变亮。

　　作为一个红超巨星，参宿四的半径确实在不断变化，导致其亮度也反复变亮变暗。那么，恒星脉动的原因有哪些？脉动的恒星对于天文学研究有什么重要性？它们都会爆发为超新星吗？

　　周而复始的膨胀与收缩

　　恒星一生中的大部分时间依靠内部氢聚变为氦的过程提供能量。聚变产生的能量产生了向外的辐射压力，而恒星自身的引力向内，两个力保持平衡，使得恒星保持一定大小。氢聚变的产物是氦，恒星内部积累足够多的氦且温度达到1亿开尔文后，核心的氦发生聚变，恒星开始膨胀为红巨星或红超巨星。

　　红超巨星半径能够达到太阳半径的几百甚至上千倍，内部物质对表面物质的引力比较弱，表面大气的翻滚变化，会使恒星的半径发生变化，形成脉动。参宿四的脉动就属于此类。

　　质量为太阳质量0.5倍的恒星，进入氦燃烧阶段后，会先膨胀为红巨星，然后颜色变黄。质量为太阳好几倍或者十几倍的恒星，在进入氦燃烧的某个阶段时，也会变黄，成为黄巨星或黄超巨星。这两大类恒星中的一部分会产生周期性脉动。脉动的根本原因是恒星大气中的氦。

　　氦有两个电子。恒星大气内某个区域温度达到3万开尔文左右时，氦的一个电子被电离。恒星收缩时，内部温度升高，当温度达到4万开尔文左右时，氦的另一个电子也被电离。自由电子增多，导致恒星大气的不透明度增高，被俘获的辐射变多，积累的能量变多，恒星膨胀。膨胀会导致降温，两个电子中的一个重新复合回去，恒星大气不透明度降低，被俘获的辐射减少，恒星收缩。收缩会导致升温，电子又被电离，导致以上过程循环往复，恒星就会反复膨胀收缩。

　　这样的脉动导致恒星的亮度发生周期性变化。质量为太阳质量0.5倍的那些恒星脉动时成为天琴座RR型变星，质量为太阳几倍或者十几倍的黄巨星或黄超巨星脉动时成为造父变星。

　　质量接近太阳质量100倍的恒星也会产生脉动。这类恒星的核心聚变为氧之后，氧核聚变产生的光子能量太高，成对地转变为电子与正电子对，后者又成对转变为中微子与反中微子对，中微子对轻松地逃逸出恒星，恒星压力降低，发生收缩；收缩导致氧核的温度进一步升高，上述过程更加激烈，形成一个循环，氧核心产生的能量快速释放，引起恒星膨胀，将恒星外层物质抛出一部分。这样的脉动喷发过程会发生多次，因此被称为“脉冲对不稳定性”。

　　用周光关系丈量星系距离

　　恒星脉动在天文学上有着重要的应用。天琴座RR变星与造父变星亮度变化周期与最大亮度有明确的关系，即周期—光度关系。只要确定了一部分此类变星的精确距离，就可以通过周期—光度关系确定其他同类变星的距离。天文学家利用造父变星的周期—光度关系，先后测量了银河系内、仙女座星系内以及其他多个星系内造父变星的距离，从而确定了银河系的形状与太阳在银河系内的位置，证明仙女座星系是银河外的星系以及发现宇宙正在膨胀等。

　　天琴座RR型变星与质量小于8个太阳质量的造父变星因为质量太小而无法成为超新星。类似于参宿四的红超巨星与质量超过8个太阳质量的造父变星会爆发为超新星。质量接近100倍太阳质量的恒星，在经历几次脉动喷发后，最终会爆发为超新星或直接塌缩为黑洞。天文学家已经从哈勃空间望远镜的照片档案中发现了一些超新星爆发前的图像，证明有些超新星是红超巨星爆发而成、有些超新星是黄超巨星直接爆发而成。这意味着造父变星有可能直接爆发为超新星。

　　需要注意的是，恒星成为天琴座RR型变星或造父变星后，一般不会永远处于这样的变星状态，而会在某个阶段不再脉动，并演化为其他类型的恒星。大质量的造父变星虽然可能直接爆发为超新星，但更多时候会在结束脉动后再爆发为超新星。