保持活力！高速自轉是秘笈_風聞

一顆質量超過16個太陽質量的恆星，其特性與我們太陽相比會有一些極端。在它壯年階段，其半徑約為太陽的10倍，温度超過3萬度，亮度是太陽的幾萬倍。但年齡不會超過一千萬年，而我們的太陽質量是小質量恆星，但它的壽命可以超過一百億年。目前在我們銀河系內發現的最大質量恆星約為120-150個太陽質量，而在宇宙的早期甚至能到1000個太陽質量。

在宇宙早期，大質量恆星產生的電離光子電離了厚厚的中性氫，使得宇宙變得透明。當它死亡時產生的強烈爆炸，它是如此之亮以至於在宇宙的任何地方都可以看到。目前為止，我們已經看到了宇宙剛形成5億年之後的伽馬射線暴及其超強超新星爆發，這正是大質量恆星死亡時發出的絢麗而明亮的煙花。

宇宙大爆炸（來源：NASA）

大質量恆星是其所在星系主要的光源，這使得我們可以看到它們所在的遙遠星系。大質量恆星會產生強大的星風，及其死亡時拋出的物質不但會增加星際介質的金屬丰度（天文學家們把除了氫和氦的所有物質都稱之為“金屬物質”，它們的數量佔所有原子總數的比率稱為“金屬丰度”），而且還會促進新的恆星形成。因此，從這方面説，大質量恆星是一個星系的超強發動機。正是由於它們的存在，才使得整個星系充滿了活力，生生不息。

大質量恆星的超新星爆炸

（來源：http://k.sina.com.cn/）

和所有的恆星一樣，大質量恆星在誕生之後，就開始燃燒其核心區的氫，把氫聚變成氦。這是恆星一生中最為漫長的階段，這個過程佔據了其生命的80%以上。當核心區的氫燃燒盡之後，由於沒有能量支撐，核心會慢慢收縮，直到點燃氦核。但即使在其主序階段，整個星體已經開始向外膨脹，並且星風變得越來越強烈。對於超過20個太陽質量的恆星，當氦燃盡之後，隨後就是碳、氧、氖、鎂、硅依次耗盡，此時，恆星完全變成一個洋葱結構：外面是氫包層，下面依次是氦層，碳層直到鐵峯元素核。當核心完全變為鐵核之後，由於此時沒有能量供給，最後整個星體塌縮，變成一個核塌縮超新星。

生命在於自轉

如果沒有自轉，所有大質量恆星都會重複着上面的生活。但是自轉大大改變了它們千篇一律的生存狀態。

高速自轉的恆星和普通的恆星相比，有着自己完全不同的生活軌跡。首先，高速自轉能導致星體內部很強的物質交流（子午環流，或叫愛丁頓流。左圖是一個質量為15個太陽，自轉速度為300km/s的星，其內部環流情況）。這種物質交流能改變恆星的內部分層結構，極端情況下可以使得恆星內部的核反應物質混合到表面，並且把外部的新鮮氫燃料帶到核心區。由於不斷被補充新鮮燃料，所以其壽命被明顯延長。其次，這種強烈的混合會打破恆星常規的洋葱結構，使得在其演化晚期不會有氫殼層燃燒發生，所以星體不會膨脹很多，一直會保持身材苗條。最後，由於燃燒更為充分，一生可以積累更多的核燃燒後的金屬物質。

經歷過高速自轉運動的氮超豐星

由此可知，高速自轉可以使大質量恆星身材苗條，還能使其延年益壽，永葆青春。但我們銀河系中大質量恆星都是新近形成的，有較高的初始金屬丰度，因此星風都非常強，對高速自轉的大質量恆星的制動效果明顯，所以高速自轉的大質量恆星非常稀少。在我們銀河系，大質量恆星自轉速度峯值在90km/s左右。這就像人類一樣，都知道堅持鍛鍊能健康身體，但往往都不能堅持長久。那麼如何知道哪些星經歷過高速自轉階段呢？

氮超豐星是一種氮含量極高的星，一般要高於同類大質量恆星氮含量的10倍以上。早在1970年，美國Walborn先生在他博士期間發現了一顆很奇怪的星HD

201345，它的氮的光譜吸收線異常強。隨後又陸續發現了一些氮超豐星。天文學家們用了各種理論模型都不能解釋它為什麼有這麼多氮元素，只是根據它們的碳、氮、氧的比例，發現這種超豐的氮應該是恆星內部的核反應產物。超豐的氮元素究竟從何而來？這個問題一直困擾着天文學家。

我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）是目前光譜獲取率最高的望遠鏡，它一次能觀測4000個天體目標。截止2019年3月，LAMOST成為世界上首個發佈光譜數超過千萬量級的光譜巡天望遠鏡。利用LAMOST光譜數據，我們可以獲得恆星沿着視線方向的運動速度。歐洲航空局的蓋亞天文望遠鏡衞星（Gaia）在2018年4月份發佈了超過13億顆恆星的視差和自行數據，使得天文學家可以從中得到恆星距離和垂直於視線方向的運動速度。

圖為LAMOST望遠鏡與星空

很幸運的是，我們也在LAMOST的千萬光譜中找到了兩顆高速自轉的氮超豐星，名字分別為：LS I +61 28 和HDE 236672。緊接着收集了所有同時具有視向速度和Gaia天測數據的氮超豐星，然後對它們在銀河系內的運動進行了分析，發現這些氮超豐星源於雙星相互作用。

起初這類星作為伴星處在相互繞轉的雙星系統中。由於潮汐力作用或者物質吸積，導致了它們自轉加速。當主星作為超新星爆炸之後，它們被沿着軌道切向方甩出。由於吸積物質，導致了自身高速自轉，高速自轉會大大增加赤道附近離心力和赤道半徑，從而大幅度降低赤道附近的有效重力加速度。它們自轉軸傾角的不同會造成我們看到的表面重力不同：如果它們的赤道正對着我們，我們就會看到高速自轉且表面重力小的星（見左下圖）；反之，如果它們的兩極對着我們，那麼我們就會看到自轉慢且表面重力大的星（見右下圖）。

左圖為從赤道方向看高速自轉星；右圖為沿自轉軸方向看高速自轉星。（石雅婷繪）

大質量恆星的最主要能源來自於通過碳氮氧循環的氫燃燒。在其中，碳氮氧作為催化劑存在，總量保持不變。而碳和氧在這個過程中被轉換成了氮，所以總體效果導致氮增加。高速自轉會導致的化學元素整體混合，這種混合會把表面上的氫燃料帶入核心，而把核心的核聚變過程產生的物質帶到表面。從而導致了恆星表面上的氮超豐。

綜上，這種氮超豐的星，正是我們要找的正在經歷高速自轉或者已經經歷過高速自轉的大質量恆星。

高速自轉與天文學前沿

伽馬射線暴和引力波事件是當前兩個天文學前沿熱點。伽馬射線長暴被認為是高速自轉大質量恆星死亡時的產物。當其死亡時，中心會塌縮成黑洞，而正是由於自身的高速自轉，從而導致在黑洞周圍形成一個高速繞黑洞旋轉的等離子體，進而產生了強大的磁場。當磁極對準地球時，我們就會看到伽馬射線爆發了。這種伽馬射線長暴一般只持續幾十秒，但最遠的伽馬射線暴能傳播130多億光年到達地球，它是我們研究宇宙黎明時代的強有力工具。

自從2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）發現了第一個引力波事件之後，天文學進入了多信使天文學時代。隨後在2017年10月份，諾貝爾獎被頒發給在引力波探測方面作出傑出貢獻的三個科學家。到目前為止，大多數探測到的引力波事件是幾十個太陽質量的雙黑洞併合形成的。這類雙黑洞一般認為是由兩個高速繞轉的且高速自轉大質量恆星形成的。

結束語

高速自轉是天文學家理解大質量恆星本質的一個重要因素。高速自轉的運動可以使得大質量恆星身材苗條，還能使其延年益壽，永葆青春。另外，它也是天文學家理解當前天文熱點伽馬射線長暴和引力波事件起源的關鍵。