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極大質量恆星的出現並未打破現行恆星形成理論

2012/08/15 | | 標籤:

天文學家曾在2010年在大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)R136星團中發現4個怪獸級恆星,每個的初始質量應該都超過太陽的300倍以上,其中一顆質量最大的R136a1,演化迄今的殘餘質量都還有265倍太陽質量這麼多(請參考天文新知2010-07-23 發現比太陽重265倍的超大單一恆星)。雖然它們亮到不可思議的地步,不過天文學家卻從不曾在R136以外的其他地方發現類似的怪異天體。對此,現在德國波昂大學(University of Bonn)的天文學家們有新解:這些極大質量恆星(ultramassive star)可能是密近雙星系統中兩顆子星合併而成的。相關論文發表在英國皇家天文學會月刊中。

大麥哲倫星系距離約160,000光年,是距離銀河系第三近的衛星星系。大麥哲倫星系中含有許多活躍的恆星形成區,其中最活躍的就是直徑寬達1,000光年的蜘蛛星雲(Tarantula Nebula),這片龐大的氣體塵埃雲又稱為劍魚座30星(30 Doradus,30 Dor),R136星團就位在這片複合型星雲中心區,含有多顆重量級恆星,是LMC中最明亮的恆星搖籃,甚至是整個本地星系群(Local Group)中最明亮的恆星誕生區。本地星系群由50幾個星系所組成,包含銀河系和仙女座星系(M31)。上圖最左側為歐南天文台(ESO)拍攝的蜘蛛星雲整體影像,將星雲中心區域放大觀看即可見到R136星團。

在2010年這4顆恆星怪獸發現之前,天文學家於銀河系和鄰近其他星系中發現的恆星質量上限約為150倍太陽質量,而這個上限值似乎在整個宇宙都通用。由於不止是單一恆星的質量上限,甚至是新生恆星的原料,似乎都與它們誕生地無關,因此一般認為宇宙各地的恆星誕生過程應該都相同。左圖為質量最小的紅矮星(red dwarf,約0.1倍太陽質量)、類似太陽的低質量黃色矮星(yellow dwarf)、質量稍大的藍色矮星(blue dwarf star),以及R136a1這顆極大質量恆星的比較。

不過,R136這4顆超亮恆星怪獸的發現打破了上述被天文學界普遍接受的恆星質量上限規則,這意味著劍魚座30裡的恆星誕生方式是否與宇宙他處不同?若果如此,那麼關於恆星誕生過程的宇宙通則便受到了嚴厲的挑戰。

波昂大學Sambaran Banerjee領軍的研究團隊利用電腦模擬類似R136星團內恆星之間的交互作用;且為求逼真,總共模擬了170,000多顆恆星緊緊聚集的狀況。模擬中已設定剛開始時的所有恆星質量都在正常範圍內,且以一般預期的狀況分佈在星團內。僅僅是要計算這個相當單純的星團如何隨時間變化,這個模擬就得重複解510,000多條方程式。不過由於受到每顆恆星內部核反應所釋出的能量影響而使模擬開始變得複雜,而當兩顆恆星互撞並合併時複雜度更為大增,然而這都是一個擁擠的星團常常會遇到的情況。這種逐星、逐星仔細計算的模擬方式稱為「直接多體模擬(direct N-body simulations)」,是迄今最值得信賴、最準確的星團模擬方式。

當模擬計算完成時,這位科學家馬上就瞭解這4顆重量級恆星怪獸其實一點也不神秘。由於恆星彼此間非常擁擠,在星團形成之初,星團內就有許多靠得很近的密近雙星,而且三不五時就會發生恆星間的碰撞,因此因恆星碰撞而合併成單一、質量更大的恆星,簡直就是不可避免、時勢所趨之事。而這也不難理解R136星團中最後會出現這4顆極大質量恆星:想像原本就不小的恆星近距離互繞,不過後來受到鄰近其他恆星的重力影響而被迫分離,導致它們原本圓形的規律軌道被拉長變形,這兩顆恆星就有機會在某次擦身而過的時候碰在一起合併成單一的極大質量恆星。

這些科學家表示:雖然這項直接多體模擬工作牽扯到兩星合併之時非常複雜的物理過程,但他們仍確信這項模擬真的可以解釋蜘蛛星雲中何以出現極大質量恆星。而結果一出,許多天文學家終於得以放心,因為這表示現行的恆星形成理論並未受到嚴厲挑戰,仍是宇宙通行法則。

資料來源:Astronomers crack mystery of the “monster stars"[2012.08.07]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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