23.5: 双星系统的演变
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述导致新星事件的那种双星系统
- 描述导致 Ia 型超新星事件的双星系统的类型
- 说明 Ia 型超新星与 II 型超新星有何不同
到目前为止，对所呈现的明星生活故事的讨论存在偏见，我们可以称之为 “单星沙文主义”。 因为人类是围绕着一颗独自经历生命的恒星发育的，所以我们倾向于孤立地思考大多数恒星。 但是正如我们在《星星：天体普查》中看到的那样，现在看来，多达一半的恒星可能是在二进制系统中发育的，在这种系统中，两颗恒星在彼此的引力怀抱中诞生，绕着共同的质心运行生命。
对于这些恒星来说，近距离同伴的存在会对它们的演化产生深远影响。 在适当的情况下，恒星可以交换物质，尤其是在其中一颗恒星膨胀成巨星或超级巨星或有强风的阶段。 当这种情况发生并且同伴恒星距离足够近时，物质可以从一颗恒星流向另一颗恒星，从而减少捐赠者的质量并增加接受者的质量。 当接收者是恒星残余物（例如白矮星或中子星）时，这种质量传递可能尤其引人注目。 虽然关于这种双星如何演变的详细故事超出了本书的范围，但我们确实想举几个例子，说明当系统中有两颗恒星时，本章中描述的进化阶段可能会发生怎样的变化。
白矮星爆炸：温和的那种
让我们考虑以下由两颗恒星组成的系统：一颗已经变成了白矮星，另一颗正在逐渐向其转移物质。 当来自同伴外层的新鲜氢气积聚在炎热的白矮星的表面时，它开始积聚一层氢气。 随着越来越多的氢气在退化恒星的表面积聚和升温，新层最终达到的温度，导致聚变以突然的爆炸性方式开始，将大部分新材料炸毁。
这样，白矮星很快（但只是短暂地）变得相当明亮，是以前亮度的数百或数千倍。 对于观察者来说，在望远镜发明之前，似乎突然出现了一颗新星，他们称之为新星。 1 Novae 会在几个月到几年后消失。
已经观测到数百颗新星，每颗新星都出现在双星系统中，每颗新星后来都显示出排出的物质壳。 许多恒星有不止一个新星发作，因为来自邻近恒星的更多物质会积聚在白矮星上，整个过程会重复。 只要这些事件没有将白矮星的质量增加到钱德拉塞卡尔的极限之外（通过过快地转移太多的质量），密集的白矮星本身几乎不会受到其表面爆炸的影响。
白矮星爆炸：暴力之种
如果白矮星以更快的速度积累来自同伴恒星的物质，则可以将其推高到钱德拉塞卡尔的极限。 这种二进制系统的演变如图所示。 当它的质量接近钱德拉塞卡尔的质量极限（超过1.4\(M_{\text{Sun}}\)）时，这样的物体就无法再像白矮星一样支撑自己，它开始收缩。 当它这样做时，它就会升温，新的核反应可能在退化的核心中开始。 下个世纪左右，恒星 “沸腾”，提高内部温度。 这个沸腾阶段在不到一秒钟的时间内结束，届时大量聚变（尤其是碳聚变）同时发生，从而导致爆炸。 最后一次爆炸产生的聚变能量是如此之大，以至于它完全摧毁了白矮星。 气体以每秒大约 10,000 千米的速度被吹入太空，之后就没有白矮星的踪迹了。
这种爆炸也被称为超新星，因为就像摧毁一颗高质量恒星一样，它会在很短的时间内产生大量的能量。 但是，与可能留下中子星或黑洞残余物的高质量恒星爆炸不同，白矮星在此过程中会被完全摧毁，不会留下任何残余物。 我们称这些白矮星爆炸类型为 Ia 超新星。
我们将I型超新星与II型超新星区分开来，这些超新星起源于前面所讨论的大型恒星的死亡，因为观测到的光谱中没有氢气。 氢是宇宙中最常见的元素，也是大型进化恒星的主要组成部分。 但是，正如我们之前了解到的那样，白矮星残余物中没有氢气，白矮星残余物主要由碳和氧组成，质量与钱德拉塞卡尔的质量极限相当。
Ia型超新星的 “a” 子名称进一步指存在强硅吸收线，而源于巨星崩溃的超新星中没有这种吸收线。 硅是碳和氧聚变产生的产物之一，这证实了我们上面描述的情景，即制造白矮星的碳（和氧）突然开始聚变。
现在的观测证据有力地表明，SN 1006、第谷的超新星和开普勒的超新星（参见第 23.3 节的 “历史中的超新星” 方框）都是 Ia 型超新星。 例如，与在螃蟹星云中产生旋转脉冲星的SN 1054的情况形成鲜明对比的是，这些历史上的超新星都没有显示出任何在爆炸中幸存下来的恒星残余物的证据。 也许更令人费解的是，到目前为止，天文学家还无法识别出这些历史超新星中为白矮星提供食物的同伴恒星。
因此，为了解开同伴恒星缺失的奥秘和其他悬而未决的难题，天文学家最近开始研究产生 Ia 型超新星的替代机制。 所有拟议的机制都依赖于由碳和氧组成的白矮星，这是满足观测到的Ia型光谱中不存在氢气的情况所必需的。 而且由于钱德拉塞卡尔质量以下的任何孤立的白矮星都是稳定的，因此所有提议的机制都会调用二进制同伴来爆炸白矮星。 科学家认为，产生 Ia 型超新星的主要替代机制是将两颗白矮星合并到一个二进制系统中。 两个白矮星的轨道可能不稳定，因此随着时间的推移，它们会慢慢靠近直到合并。 如果它们的总质量大于 Chandrasekhar 极限，则结果也可能是 Ia 型超新星爆炸。
Ia型超新星在其他研究领域引起了天文学家的极大兴趣。 这种类型的超新星比巨星崩溃产生的超新星更亮。 因此，可以在很远的距离内看到Ia型超新星，并且它们存在于所有类型的星系中。 大多数 Ia 型超新星的能量输出是一致的，它们的最大亮度几乎没有变化，或者它们的光输出最初增加然后随着时间的推移缓慢下降的方式几乎没有变化。 这些特性使得Ia型超新星极为宝贵 “标准灯泡”，对于远距离观察的天文学家来说，这远远超出了我们自己的银河系的极限。 你将在《大爆炸》中详细了解它们在测量与其他星系的距离方面的用途。
相比之下，II型超新星的发光度比Ia型超新星低约5倍，并且仅出现在最近形成大规模恒星的星系中。 二型超新星在爆炸期间的能量输出也较不稳定，其范围可能为峰值亮度值。
带同伴的中子星
现在让我们来看一对更不匹配的星星在行动。 在适当的情况下，二进制系统甚至有可能作为二型超新星在其成员之一爆炸后幸存下来。 在这种情况下，普通恒星最终可以与中子星共享一个系统。 如果物质随后从 “活的” 恒星转移到其 “死亡”（且高度压缩）的同伴身上，则这种物质将被中子星的强重力吸入。 这种流入的气体将被压缩并加热到难以置信的温度。 它很快就会变得如此炎热，以至于它会经历爆炸性的聚变爆发。 所涉及的能量是如此之大，以至于我们预计爆发产生的大部分辐射将以X射线形式出现。 事实上，地球大气层上空的高能观测站（参见天文仪器）记录了许多仅经历此类X射线爆发的天体。
如果中子星及其同伴的定位正确，则可以将大量物质转移到中子星上，并使其旋转得更快（因为自旋能量也会传递）。 随着质量的增加，中子星的半径也会减小。 天文学家在二进制系统中发现脉冲星的旋转速度超过每秒 500 次！ （它们有时被称为毫秒脉冲星，因为脉冲相隔几千分之一秒。）
如此快速的旋转不可能来自中子星的诞生；它一定是外部造成的。 （回想一下，已知最年轻的脉冲星之一 Crab Nebula pulsar 每秒 “仅” 旋转 30 次。） 事实上，据观察，一些快速脉冲星是二进制系统的一部分，而另一些则可能是因为它们在传质过程中已经 “完全消耗” 了以前的伙伴恒星。 （这些有时被称为 “黑寡妇脉冲星”。）
观看这段短视频，看看国家射电天文台的斯科特·兰索姆博士用一些精美的动画解释毫秒脉冲星是如何产生的。
而且，如果你认为中子星与 “普通” 恒星相互作用是不寻常的，那么也有由两颗中子星组成的二进制系统。 其中一个系统使恒星之间的轨道非常接近，以至于它们不断改变彼此的轨道。 另一个双中子星系统包括两颗脉冲星，它们每 2 小时 25 分钟相互旋转一次。 正如我们前面讨论的那样，脉冲星会散发出它们的能量，而这两颗脉冲星正在缓慢地相互移动，因此在大约8500万年后，它们实际上将合并。
现在，我们对恒星最后阶段的描述已经到了尽头，但故事中还有一部分有待填写。 我们看到，燃料耗尽时核心质量小于1.4\(M_{\text{Sun}}\) 的恒星以白矮星的身份结束了生命。 核心质量介于 1.4 到大约 3 之间的垂死恒星\(M_{\text{Sun}}\)会变成中子星。 但是有些恒星在耗尽燃料供应\(M_{\text{Sun}}\)时其核心质量大于3。 他们变成了什么？ 如此巨大的恒星核心（称为黑洞）死亡的真正奇怪结果是我们下一章的主题。 但首先，我们将看一个天文学谜团，事实证明这个谜团与恒星的死亡有关，是通过巧妙的侦查以及观察和理论相结合来解开的。
关键概念和摘要
当白矮星或中子星是近距离双星系统的成员时，它的同伴恒星可以向其传递质量。 逐渐落到白矮星身上的物质可以在突然的聚变爆发中爆炸并形成新星。 如果物质迅速落到白矮星身上，它可以将其推过钱德拉塞卡尔的极限，使其作为 Ia 型超新星完全爆炸。 Ia 型超新星的另一种可能机制是两个白矮星的合并。 落到中子星上的物质会导致强烈的 X 射线辐射爆发。 材料和角动量的转移可以加快脉冲星的旋转，直到它们的周期只有几千分之一秒。
脚注
1 我们现在知道这个历史术语具有很大的误导性，因为新星不是来自新星。 实际上，恰恰相反，新星起源于白矮星，而白矮星实际上是低质量恒星恒星演化的终点。 但是，由于两颗恒星的系统太微弱而肉眼看不见，在人们看来，在望远镜发明之前，确实出现了一颗恒星在什么都看不见的地方。
词汇表
- nova
- 二进制系统产生的灾难性爆炸，暂时将其亮度提高了数百至数千倍
- 毫秒脉冲星
- 脉冲星旋转得如此之快以至于每秒可以发出数百个脉冲（因此其周期以毫秒为单位测量）