2017年1月23日

恆星世界紀錄-宇宙恆星之最

作者/陳文屏(中央大學天文所教授。)

圖一:星震技術。
 我任職所在的大樓電梯內有個天文新知專欄,「宇宙之最」系列源起於介紹浩瀚宇宙中極端的天體或現象,順便解說一些科學原理。內容既「新」也有「知」的部分,期能在電梯行程約一分鐘內覽其概況。

這些文稿困難之處在於選定主題,要在距離、光度、體積、密度、成分、時間等發掘適當題材。這些都不在教科書裡,而且與時俱進,文中幾乎少不了「目前」的字眼,雖然尋找資料費時,但樂趣十足,自己收穫很多。提醒讀者這些不是標準答案,例如讀到距離最遙遠的天體,要質疑怎麼測量距離,怎麼知道最遙遠等。不只學習怎麼回答,更重要是怎麼問問題,因此面對廣大的太空,就會問出天大的問題。




形狀最圓的恆星
咦,星星不都是圓的嗎?仔細想星星其實不該是完美球體。這是因為無論恆星、行星、衛星、星系等天體都會自轉,所以會沿著赤道方向突起。以地球來說,沿著赤道的半徑就比沿著兩極(6357公里)多了約43公里,這0.5%的扁平率看起來不是很明顯。
通常體積較大的天體表面積相對較小,在引力吸引而撞擊形成的過程中散熱較慢,能好整以暇拉成球體。相對來說小型天體冷卻快速,尚未拉成球形已經凝固。例如地球、火星、月球都呈球形,而直徑少於約500公里的小行星、彗星核心等小天體則形狀不規則。

對於流體而言,例如恆星、氣態行星等,自轉的效應特別明顯。木星的體積是地球1000倍,自轉一圈卻只要10小時,它的扁平率為6%,可明顯看出。太陽的體積是木星的1000倍,但自轉緩慢(週期約一個月),所以形狀圓得多,扁平率為0.1%。夜空中明亮的牛郎星,因為自轉快速造成扁平率達14%。除了自轉以外,物質拋射、磁場、行星或伴星圍繞都可能影響恆星的形狀。

目前所知最圓的恆星為KIC 11145123,扁平率只有 0.0002%。編號顯示這是刻卜勒太空望遠鏡所監測的天體(Kepler Input Catalog)。天文學家分析這顆星4年當中的亮度變化,推測出體積漲縮的程度,以「星震」技術(圖一)── 也就是類似以地震波探測地球內部結構的原理──來推算恆星的形狀。這好比有如撥動吉他弦,只有特定個數的波可以震動(駐波);恆星的形狀造成只有特定頻率的波動能夠傳遞,藉此估計不同緯度的恆星半徑。

KIC 11145123的質量與表面溫度與牛郎星、織女星相當,據推測可能因為演化到末期,以致自轉週期減慢到100天左右,加上可能有環繞赤道的磁場,造成其圓滿的形狀。

體積最龐大的恆星
太陽質量約為地球33萬倍,表面溫度約5800 K(攝氏約5500oC),核心達1500萬K,高溫、高壓的環境足以引發熱核反應,提供氣體高速運動,產生向外的熱壓力,以平衡龐大向內的萬有引力,維持穩定的星球結構。恆星融合氫元素的時期,稱為「主序星」,太陽就是顆主序星,已經穩定發光了50億年。當核心氫氣用罄,便向內收縮,密度與溫度上升,造成外圍大氣膨脹,外表溫度下降(變紅),物質大量流失,這樣的星球稱為「紅巨星」。

如果核心的質量夠大,收縮後溫度足以引發氦元素融合,恰位於核心之外的區域則進行氫融合,恆星結構得以維持短暫穩定。更大質量的恆星,核心能夠繼續進行碳、氧元素的核反應,之外的區域則依序為氦融合區、氫融合區,以及最外層,沒有任何核反應的大氣,在這段演化時期的星球表面溫度低,但由體積非常龐大,光度也強,稱為「紅超巨星」。

目前已知體積最龐大的恆星為盾牌座 UY(UY Scuti),是顆紅超巨星,位於南半球天空盾牌座方向。盾牌座 UY星直徑據估計達太陽1700倍(圖二)、表面溫度3400 K、光度是太陽34萬倍、距離地球約9500光年。

根據恆星理論,盾牌座UY星誕生時質量可能約太陽25倍,而在演化過程中流失了一半,現在質量約為太陽7~10倍。目前這顆星核心正進行氦元素核融合,核心之外包圍了一層區域則正進行氫元素核融合。根據計算,在未來數百萬年內,它將進一步在核心融合碳、氧、氖及矽等元素,最終產生鐵核心後,再也無法進行核融合,內外力量失去平衡因而發生超新星爆發。
圖二:盾牌座UY星與太陽模擬比例。
質量最大的恆星
恆星由巨大質量的氣體組成,太陽的質量(2×1030 kg)為地球33萬倍,核心緻密(150 g/cm3)而熾熱(107 K),得以讓氫原子核融合成氦原子核,過程中放出熱能,提供氣體高速運動彼此碰撞產生熱壓力,而平衡了向內的萬有引力。

因此推論恆星應該有個質量範圍:太小者,核心溫度不夠高,不足以引發核反應;質量太大者速率極快,能量大湧出熱壓力加上輻射壓,大於萬有引力,無法形成穩定結構。理論計算恆星質量下限約為太陽0.08倍,上限約為太陽150倍。

宇宙中質量最大的恆星目前后冠歸於R136a1,這顆星位於鄰近銀河系的「大麥哲倫星系」當中,屬於疏散星團NGC 2070中央的一群名為R136的亮星(圖三),距離我們16萬3千光年。R136a1的質量估計達太陽的315倍,直接挑戰恆星結構理論。它光度則是太陽的870萬倍,熾熱的表面溫度達5萬3千K,發出燦爛的藍色光芒。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第566期】

圖三:NGC 2070中央有一群名為R136的亮星。(NASA)

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