恒星温度天花板？死到临头的沃尔夫-拉叶星

2023 年 3 月 14 日，韦伯公布了一张罕见的恒星照片，这张照片结合了近红外（NIRCam）和中红外（MIRI）影像，展示了一颗正处于演化末期即将爆发成超新星的大质量恒星 ——WR 124。既然还没爆发，那这片星云又是怎么回事呢？

1938 年，天文学家在人马座方向发现了一个喷射状的星云（M1-67）。半个世纪后，通过哈勃望远镜拍摄的照片，人们终于看清了这个上万光年外的星云样貌。从扩散的形态可以看出，这里似乎发生过某种爆炸。

2010 年，在一项针对该星云的研究中，研究人员通过两组间隔 11 年的图像计算其膨胀速率，从而推测出爆炸大约发生在一万年前。

很明显，爆炸应该源于星云中的那颗恒星。没错，它现在仍然是一颗恒星，还未坍缩成中子星或黑洞。那也就是说，先前的爆炸并非是超新星爆发。那这颗恒星究竟发生了什么呢？

了解恒星自然免不了对其光谱的研究，而这颗恒星的光谱着实有些特殊。

恒星的光谱主要是恒星大气中的光球层发出的。通常来说，绝大多数恒星的光谱都是氢多而重元素少。因为重元素一般都集中在恒星的核心部位，外层主要以氢为主。由于恒星外层温度远远低于核心温度（比如太阳虽然内部可以达到 1500 万度，但是它的表面却只有区区几千度），在这种“低温”情况下物质更倾向于吸收光，反应在光谱中就是连续的光谱会出现一些暗线的缺口，这些缺口对应的就是这部分光被什么元素吸收了，这种光谱也被称为吸收光谱。所以，根据恒星的吸收光谱，我们就能推断出这颗恒星的大气中都有哪些元素。

通常的恒星光谱就像在光谱上扣掉了几条线，但是这颗恒星的光谱则像是往上贴了几条线。对，就像做了个遮罩一样，完全反了过来。之前的吸收光谱是因为元素吸收了光线，那这种光谱显然是元素主动发射出了光线，因此它也叫发射光谱。

要让物质产生发射光谱，通常需要极高的温度，而这正是这颗恒星的其中一个特殊之处 —— 异常高的表面温度。

通常来说，恒星质量越大温度也就越高。大约 99% 的恒星表面温度都在几千度，只有那些几倍太阳质量以上的大块头（B 型或 O 型恒星），它们的表面温度才有可能达到上万度。这颗恒星正是这样一个拥有着 20 倍太阳质量的大质量恒星，其表面温度超过了 40000 度！足足是太阳的 7 倍！

而且从发射谱线上看，这颗恒星的大气中似乎缺乏氢，取而代之的是氦、氮甚至是碳、氧等重元素。可是这些重元素靠的是核聚变，只能由恒星的内部产生，不应该出现在外层大气中呀。这也是这颗恒星的另一个特殊之处。

这种有着超高表面温度且具有氦、氮等发射谱线的大质量恒星就是著名的沃尔夫-拉叶星（WR 星）。

其实沃尔夫-拉叶星最早在 1867 年就被查尔斯・沃尔夫和乔治・拉叶发现了，但由于其光谱的特殊性，其中的谜团一直到几十年后才被人们解开，至此“沃尔夫-拉叶星”的名字才被确立。

既然沃尔夫-拉叶星又大又热，说明它离死亡也不远了。为什么呢？因为它太能吹了！没错，就是物理意义上的“能吹”。

沃尔夫-拉叶星通常是大质量的 O 型恒星在演化末期的一个特殊阶段。随着核心的重核聚变，恒星内部的温度越来越高，这会导致外层的氢也跟着开始疯狂聚变。过程中产生的辐射压会把外层物质向外推，从而导致恒星膨胀。随着物质向外膨胀，引力逐渐减弱，于是表层物质就特别容易被吹走。最终导致的结果就是内部的重元素暴露了出来，这也是为什么它的光谱中缺乏氢而富含重元素。

恒星风就像个吹风机，它能够持续稳定的把外层物质吹散。不过该方式虽然稳定，但是效率不高，只有太阳这类小质量恒星才会主要采用。

如果恒星再大一些，它的辐射压会更强，同时它的温度和光度也会更高。当光度超过爱丁顿极限时，恒星的流体静力平衡开始被打破，外层大气会出现流体不稳定性。导致的结果是外层物质不用再靠恒星风，仅靠辐射压就能摆脱引力束缚。于是恒星的部分外壳开始成块地脱落，同时引发一系列剧烈的表面物质抛射。

还记得之前说过的参宿四变暗吗？虽然参宿四还没有走到沃尔夫-拉叶星这个阶段，但它已经成了红超巨星，等于是土埋脖子了。上次突然变暗就是因为它的光球层掉了一大块物质，这块物质通过撕裂的色球层直接喷了出来把恒星的光挡住了。

今天说的这颗沃尔夫-拉叶星也是类似，它周围团块状的星云就来源于其喷射出的外层物质，而这些物质的质量顶的上 10 个太阳。短时间内损失如此多的质量，可见这里的物质抛射有多剧烈。

除了辐射压更强以外，对于高速自转的恒星，它们可以把自己甩成一个椭圆形的球，两极扁、赤道宽。这种情况下赤道部位的物质很容易被甩出，这也是恒星外层物质被抛射的原因之一。

其实除了恒星自身的原因，理论上如果它在一个双星系统中，那么之前说的那种伴星对它的吸积和剥离也可能是产生沃尔夫-拉叶星的一个途径。

不管哪种方式，最终恒星将几乎丧失外层所有的氢，只剩下核心。如果是太阳这种小质量恒星，核心会非常小，以至于不能再发生任何聚变反应，也就是我们说的白矮星。

但是对于大质量恒星来说，即使只有核心，它的质量仍然很大，大到即使是碳、氧这种重核聚变仍然可以照常进行。加上部分聚变反应已经很靠近上层，这时恒星的表面温度变得非常非常高。

有多高呢？目前已发现的温度最高的沃尔夫-拉叶星，是同样位于人马座的 WR 102，其表面温度高达 210000 度！可以称得上是主序星界的天花板。

对于如此高温的恒星，其亮度自然也没的说。根据模型计算，WR 102 的光度大概是太阳的 28 万倍。不过由于这种恒星的辐射高峰已经飙到了可见光以外的紫外区，所以理论上用肉眼看的话并不会那么亮。

但是作为“明星”，一旦“红得发紫”，那么危险离它也就不远了。

对于这种已经有点儿暴露内核的恒星来说，它们的密度已经非常高了，属于致密恒星。就拿 WR 102 来说，它的半径只有太阳的一半，但是质量是太阳的 16 倍，平均密度将近太阳的 100 倍，可见它已经处于极度压缩的状态。根据天文学家计算，在未来的 1500 年内它将成为一颗超新星，以中子星或黑洞的方式结束自己的恒星生涯。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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