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恆星的死亡

[引言] [質量較小的星球] [質量較大的星球] [雙星的演化]

 

三、雙星的演化

  到目前為止,我們只討論單一恆星的死亡,並未考慮它與其他恆星間的交互作用,但是事實上宇宙中有一半以上的恆星都是雙星系統。大部分的雙星系統兩顆星星都分得很開,所以當其中一顆膨脹並塌縮時不會影響它的伴星。但是有些雙星距離很近,當質量較大的星星開始膨脹時,會與它的伴星有些特別的交互作用。

質量轉移 (Mass Transfer)

  有時雙星系統其中一個星星的質量可以轉移到另一個星星上。在雙星系統中,在一定的空間範圍內可以受到其中一顆星星重力影響,我們將包裹這個空間範圍的面稱為洛希面 (Roche Surface),被洛希面所包圍的空間即稱為洛希瓣 (Roche lobe)。由於這兩顆星星的共同重力場加上雙星的互繞,洛希面為淚滴狀。洛希面的大小與星球的質量與兩顆星星的距離有關。

  兩個洛希瓣的交點位在兩顆星星之間,稱為內拉格朗日點或第一拉格朗日點 (inner Lagrangian point)。若把物質放在這個點上,它所受這兩個星球的重力大小相等,所以物質可以從其中一個洛希瓣,經由這個內拉格朗日點,流到另一瓣內。

  通常有兩種方法可以使物質從其中一顆星球上逃逸跑到內拉格朗日點上。第一︰如果星球有很強的恆星風,會將物質吹到內拉格朗日點,並被另一星球重力場捕獲。第二︰如果其中一個星球在演化過程中膨脹太快,它的物質填滿了洛希瓣,物質也會經由內拉格朗日點流至另一星球。因為恆星風而造成的質量轉移速度較慢;但是因為膨脹造成的質量轉移速度較快。

雙星系統的演化

  雙星間的質量轉移會對它們的演化形成十分驚人的效應。這也幫助解釋了長久以來困擾天文學家的一個問題︰在有些雙星系統中,質量較小的恆星在膨脹成巨星時,質量較大的恆星卻仍位於主序階段。如果質量較大的恆星演化的速度較快,為什麼這個雙星系統中較小的恆星卻較早脫離主序帶呢?這個現象,我們根據有同樣現象的大陵五雙星系統稱它為大陵五矛盾 (Algol paradox)。

  雙星系統間的質量轉移可以解釋這個現象。我們以一個由5倍太陽質量及一個3倍太陽質量恆星構成的雙星系統為例,這兩顆恆星的形成時間相近,所以質量較大的那顆當它膨脹成巨星時會填滿它的洛希瓣,並將質量轉移到它質量較小的伴星。因此,這顆在巨星階段的星星質量就變的比它仍在主序階段的伴星小了。所以我們會在宇宙中發現像大陵五雙星系統這樣,由5倍太陽質量的主序星及1倍太陽質量的巨星所組成的雙星了。

  兩顆距離很近的雙星系統 (密近雙星) 可能會造成其中一顆星星的外層像被「剝」掉了。因為其中質量較大的星星在膨脹成巨星時,其外層的質量會跑到質量較小的伴星上,然後這顆星星會塌縮成一個質量較小的特殊恆星 (peculiar star),我們也曾觀測到像這樣的特殊恆星。當然如果這顆星星爆炸成超新星,我們就將這類的特殊超新星稱作「剝皮」超新星 (peeled supernovae)。

  另一個密近雙星系統特別的演化結果,是兩顆恆星的合併。我們看到很多雙星系統中兩顆星星都膨脹到它們的洛希面,並把質量溢出至太空中。如果這兩顆星星距離夠近,且膨脹速度夠快,根據推論很可能會合併成一個快速旋轉的巨星。由於角動量守恆,多數的巨星因為膨脹所以旋轉速度變得較慢,不過我們卻發現到也有高速旋轉的巨星。在這樣的巨星內,它的兩顆星星原本的核心仍會互繞,直至犘擦力將它們互繞的速度拖慢,並沉入中心為止。

  還有另一種特別的情況是︰雙星中質量較大的那顆將質量轉移到它的伴星,隨後它自己塌陷成白矮星。如果它的伴星隨後再膨脹後將質量丟回這顆已便成白矮星的星球上時,會造成巨大的爆炸。為了明白這些爆炸如何產生,我們要先了解質量如何掉入一顆星球上。

吸積盤 (Accretion Disks)

  如前段所述,當伴星質量經由內拉格朗日點往白矮星掉落時,由於角動量守恆,事實上物質無法直接掉在白矮星上,而是繞著白矮星轉。我們用一個日常生活舉例︰一個裝滿水的洗臉槽,槽內的水原本有些輕微的擾動,不過它的旋轉並不明顯,一旦我們將塞子拔掉,往排水口流出的水由於角動量守恆,所以變成了漩渦。同樣的,掉入白矮星的氣體也會因同樣的效應形成一個旋轉盤,稱為吸積盤。

  在吸積盤中會發生兩件重要的事情︰第一,盤中的氣體因為摩擦力及潮汐力而變得十分熱。這個吸積盤扮演煞車的角色,讓氣體旋轉速度變慢,掉入白矮星內。靠吸積盤內部的氣體溫度可以超過1,000,000K,氣體會發生強烈的X光。另外,從吸積盤往內掉落至白矮星上的物質會發出巨大的爆炸。

新星 (Novae)

  「Nova」在拉丁文中代表「新的」,在天文學中「新星」指的是看來像是新產生的星星。新星會在天空中突然變亮,維持幾天後,逐漸變暗,至數月後才看不見。但是事實上「新星」並非一個新誕生的星星,而是一顆年老的白矮星爆炸所形成。

  新星爆炸是由於一顆普通星星的質量經由吸積盤轉移到一顆白矮星上。由於這些物質是由一顆普通的星星上來的,所以裡面含有許多未經核融合的成分,其中氫就佔得最多。當這些物質聚集在白矮星的表面時,形成一層未經核融合反應的燃料層。當這層物質愈來愈厚,它也變得愈來愈密、愈來愈熱,最後到達可以產生氫的核融合的條件,突然產生爆炸。

  新星的爆炸將白矮星的外層以每秒幾千公里的速度往外炸開。雖然往外炸開的物質質量僅有0.0001倍的太陽質量,但是它的光度可達太陽的100,000倍。當外層膨脹得愈來愈大,且愈來愈稀薄時,就逐漸變冷,新星看來就逐漸黯淡了。

  這個爆炸幾乎不會影響這顆白矮星和它的伴星,所以同樣的質量轉移的過程又開始進行。白矮星外層的燃料層加厚的速度與質量轉移的速度有關。根據這個理論,有些新星需要1,000到100,000年來累積足夠厚的燃料層來產生爆炸;有些則僅需要幾週。再發新星 (recurrent novae)、矮新星 (dwarf novae) 及一些相關的不規則變星 (irregular variable stars) 都經歷類似新星的較小規模的爆炸。雖然這幾型星球並不一樣,不過它們都經歷質量累積在吸積盤的過程。例如︰我們觀測到一顆矮新星—鹿豹座Z型星 (Z Camelopardalis),發現可以看到不規則的閃光,應該是因為物質撞擊至吸積盤邊緣的熱點上所造成。

  不過並非全部的新星都有吸積盤,例如︰天鵝座新星 (Nova Cygni 1975) 在1975年8月達到2等星的亮度,有段時間肉眼可見。雖然這顆星星目前已變暗,不過到目前的研究發現這個白矮星的磁場強度達到地球磁場的2千萬倍以上。這麼強的磁場造成它的伴星的游離氣體直接流到它位在赤道的磁極上,並將該處溫度加熱到108K。由於白矮星會快速自轉,所以會看到這些較熱的點一下看得到,一下看不到。毫無疑問的,雙星的演化仍有許多待天文學家去發現的奇妙之處。

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