超大質量恆星的神秘一生

隸屬於大麥哲倫雲的蜘蛛星雲（Tarantula Nebula）擁有成百上千顆年輕恆星。已知質量最大的恆星就藏身於星雲內部的恆星形成區——劍魚座30（位於圖中下部）中編號為R136的超級星團。（圖片來源：NASA/ESA/E.SABBI/STScl）

超大質量恆星是宇宙眾天體中名符其實的「搖滾明星」：它們的一生短暫卻光芒四射。它們的質量比太陽高出100倍甚至更多。它們也比太陽明亮數百萬倍，消耗自身能源的速度自然也比太陽快了數千倍。假設你比鄰居們富有——錢財比他們多出幾百倍。若你不知節省，花錢速度超出鄰家幾千倍，那你很快就會破產。同樣的道理也適用於恆星。太陽的壽命約為1百億年，而超大質量恆星僅能存活幾百萬年。它們臨終爆炸發出的光輝，即便跨越半個可見宇宙，也仍能被天文學家看到。從出生一路走到死亡，它們註定擁有不同尋常的一生。

銀河系擁有2萬億顆恆星，其中可能僅有幾十顆是超大質量恆星。由於它們不常見，科學家難以對其展開研究。不過，它們的形成、演化和死亡極大地影響著其它恆星的形成和演化。因此，它們依然是科學家關注的焦點。除此之外，這些耀眼奪目的恆星還能告訴我們有關早期宇宙第一代恆星的秘史。

加深了解

天文學家認為，超大質量恆星和小質量恆星這兩者的形成機制差別不大：二者皆脫胎於緻密的氣體塵埃雲（又被稱為星雲）。外來的擾動源——比如說迎面而來的激波——可能在雲中引起波動，物質受此影響開始積聚在一起。越來越多的氣體和塵埃受團塊吸引而附著其上，直至團塊再也無法對抗自身引力，坍塌形成原初恆星。在此過程中，引力能轉化為動能，原初恆星受熱升溫。根據角動量守恆定律，物質在向內塌縮的過程中開始自轉。氣體和塵埃不斷落入原初恆星，後者的密度和溫度隨之升高，直到其核心的氫開始發生核聚變反應生成氦。終其一生，核聚變反應源源不斷地為恆星提供能量，促使其演化，直至幾百萬年、幾十億年、甚至幾萬億年之後，能源被完全耗盡為止。

在恆星形成階段，質量造就了恆星之間的根本差異：質量越大的恆星，成長速度越快，其核心的氫核聚變反應開始得也越早。像太陽這樣的恆星，其形成期長達5千萬年；而100百倍太陽質量的恆星僅需幾萬或幾十萬年便可成形。絕大多數恆星都是在星雲中成群出現，它們不乏四鄰為伴。所以，大質量恆星也自然會影響到周圍恆星的形成。

然而，天文學家對恆星形成還算不上了如指掌。為了檢驗恆星形成理論，科學家需要將數值計算結果與實際觀測進行比對。計算機數值模擬顯示，自旋著的原初恆星在吸積了大量物質後，通常不是形成一個超大質量恆星，而是發生解體。有鑒於此，天文學家針對最大質量恆星的形成機制展開了討論：「在過去10年里，討論的焦點一直停留在它是形成於一個大吸積盤內呢？還是幾個吸積碎塊碰撞、融合的結果，」英國謝菲爾德大學的Paul Crowther解釋說。超大質量恆星的出生地——星團——通常是特别致密、混亂的場所。更何況，大質量恆星往往出現在星團中心。由此推斷，超大質量恆星有可能是幾顆恆星並和而成。不過，到底哪種機制才是超大質量恆星真正的形成機制，還是說兩種機制並存，學術界對此還沒有定論。

出名的鄰居

雖然，科學家還未摸清超大質量恆星究竟是怎麼形成的，他們卻清楚地知道宇宙中確確實實存在著這樣的龐然大物。最出名的例子莫過於船底座η星（海山二）——一顆高懸於南半球夜空、肉眼可見的亮星。它其實是一個雙星系統，距離地球7500光年。其主星的質量比太陽高出1百倍。

不過，宇宙中還有質量更大的恆星： 2010年，Crowther帶領的研究小組發現了編號R136a1的巨星。它的質量是太陽質量的265倍，由此晉身為已知質量最大的恆星。它是R136星團的成員。身為劍魚座30的一部分，R136星團擁有遠不止一顆大質量恆星。而劍魚座30又從屬於銀河系伴星系大麥哲倫雲（矮星系）內的蜘蛛星雲（NGC 2070）。這一區域是銀河系附近最活躍的星暴區。1987年名動一時的超新星爆發（編號1987A）就發生在它近旁。如今，天文學家已知道超新星1987A的前身星是大質量恆星，其質量超出太陽20倍之多。「我們很走運，劍魚座30近在眼前，」荷蘭阿姆斯特丹大學的Frank Tramper這樣說到。憑此便利條件，他和同事們得以對劍魚座30展開他稱之為「摸底」的探索活動——使用位於智利的甚大望遠鏡（簡稱VLA）搜尋那裡的超大質量恆星。

可是劍魚座30的成員數目上千，想在其中找出個頭最大、分量最重的成員，天文學家還須藉助幾種技巧。最常用的一種方法是：先測量恆星在不同波段的亮度，由此計算出恆星的光度。再由恆星光度與質量的關聯推算恆星的質量。由於受到當前觀測技術水平的限制，亮度測量的精度有限，由此得到的質量誤差較大。所以，天文學家也借用雙星系統內的超大質量恆星校正光度法的測量結果（根據恆星的軌道運動和德國天文學家開普勒提出的運動定律（該定律亦適用於太陽系內行星的軌道運動）計算恆星的質量）。幸運的是（雖然箇中原因尚不清楚），科學家能夠在多星系統中找到超大質量恆星。因此，光度法常被用來搜尋大質量恆星。

現如今，天文學家們能找到的、可供研究的大質量恆星越來越多。2013年初，一個研究組宣布說他們發現了已知質量最大的雙星系統（編號R144）。該系統的總質量高達200至300倍太陽質量。不過，令人不解的是，R144位於劍魚座30的外側區域。根據現行的超大質量恆星形成理論（該理論同時受到實際觀測和大質量恆星形成的數值模擬這兩方面的檢驗和限制），這樣的系統理應形成於氫含量豐富的星雲中心。實際上，天文學家還無法成功描繪出孤立的雙星系統是如何形成的。讓一切更趨複雜的是，還從未有人見過形成中的超大質量雙星系統。要麼是現行理論有誤，要麼是R144因與其它恆星頻繁作用而被踢出了緻密的星團核心。

風向何處吹

先不問細節如何，天文學家知道超大質量恆星自形成之日起，便要過上短暫又不穩定的生活。這樣大質量的恆星吹出猛烈星風，在其外殼層產生強勁的外向物質流。「與人類不同，恆星隨年齡增長，其體重不斷減輕。」Crowther解釋說。「R136a1的年齡約為1千5百萬年。它已喪失掉20%的質量（或說50倍太陽質量）。」也就是說，別看它現在是質量最大的恆星（在形成階段，它的初始質量曾是太陽的300倍），再過1、2百萬年，當它走向生命的終點，它的質量將減至100倍太陽質量。

位於上圖中心位置的天體就是質量比太陽高出265倍的R136a1。而在150萬年前誕生之初，它的質量還要更大：3是太陽質量的300多倍。自形成之日起，強烈的星風使它的體重不斷降低。（圖片來源：ESO/P. CROWTHER/C. J. EVANS）

猛烈、不穩定的星風也使大質量恆星行為莫測，易於暴發。在過去，船底座η星就發生過多次「光閃」：它目前的視亮度為5星等。可在19世紀中期，天文學家的記錄表明它的亮度曾迅速攀升，其視星等曾達到-1等。那時，這顆離我們數千光年遠的恆星一躍成為夜空中第二明亮的星星——亮度僅次於天狼星。在之後的數年裡，它一直那麼明亮。直至那個世紀末，它的亮度才降至8等。自20世紀40年代起船底座η星又慢慢增亮，一直升至我們如今所見的亮度。天文學家還不清楚導致它「大暴發」的原因是什麼。不過，他們估算出它在那場暴發中拋出近10倍太陽質量的物質。拋出物在其周圍形成了侏儒星雲（Homunculus Nebula）。在最終演化成為超新星之前，科學家認為它還會經歷多次猛烈暴發。

在19世紀早期，船底座η星（海山二）的亮度曾出現劇烈變化。1843年，它的視星等一度飆升至-1等。與此同時，它折損了近10倍太陽質量的物質。拋出的物質在其周圍形成了啞鈴狀侏儒星雲（Homunculus Nebula）（圖片來源：ESA/HUBBLE & NASA）

「砰」一聲響

在其生命歷程中，超大質量恆星的暴發無疑令人印象深刻。但同最後那場宏偉、壯麗的暴發相比，之前的暴發不過是「小巫見大巫」罷了。導致如此壯觀的暴發，其至關重要的一點是恆星已經沒有能源去控制核心的核聚變反應了。當一切失去控制，恆星也就走向死亡，身後留下什麼樣的殘骸則取決於其生前的質量。小於8個太陽質量的恆星會在爆炸中拋出外殼，形成行星狀星雲，而在中心處留下緻密星核——白矮星；質量較大的恆星通常會產生超新星爆發。到時，就算把星系內所有恆星的亮度全部加起來，也敵不過超新星的光芒。不過，同樣是超新星，其結局卻不盡相同：低於20倍太陽質量的恆星最終會留下緻密的中子星核，質量更大的恆星則塌縮成黑洞。

黑洞也誕生在猛烈爆發之中——跨越整個可見宇宙，直至宇宙另一端也能看到爆炸的閃光。科學家在上個世紀偶然發現了標誌這一爆炸事件的強烈信號，當時美蘇之間的冷戰日趨白熱化。為了提防蘇聯違反1963年簽訂的禁止核試驗條約，美軍發射了一系列衛星（即眾所周知的Vela項目）在伽馬射線能段搜尋光閃信號。Vela項目在地球大氣層內沒發現核爆炸跡象，卻在太空里探測到宇宙的神秘伽馬射線光閃。直到1973年，美軍才將這些信號公之於眾。這是人類首次探測到的伽馬射線暴（簡稱GRB）。現在，科學家知道這些信號發自宇宙中能量最強勁的爆炸事件。它們在數秒鐘內釋放的能量比太陽一生釋放的能量總和還要多得多。

在電磁光譜中，伽馬射線的能量高於X射線的能量。區區一個伽馬射線光子，其能量比可見光光子的能量高了數千倍。（多虧地球大氣層吸收了X射線和伽馬射線，地面生物才逃過一劫。不過，有利就有弊。正因如此，天文學家為了探測到這些高能射線，不得不向太空發送衛星。）

美 國宇航局的Swift衛星已經探測到900多個伽馬射線暴（簡稱GRB）。每當偵測到一個暴發事件，它便立馬掉頭展開追蹤觀測，並把GRB的位置坐標發送給一眾聯網觀測的望遠鏡。（圖片來源：NASA E-PO/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET）

自科學家發現這些高能暴發事件後，伽馬射線天文學便應運而生。現在，美國宇航局的Swift衛星大約每天探測到一個GRB。這些GRB信號來自四面八方。天文學家把它們劃分為三類：僅持續短短几微秒的短暴，持續數分鐘的長暴和持續數小時的超長暴。後兩種信號發自垂死掙扎的大質量恆星，短暴則源於中子星之間或中子星與黑洞之間猛烈的並和過程。

來自四面八方的伽馬射線暴（簡稱GRB）：天文學家發現GRB遍布全天。其中一些暴發事件源自於罕見的超大質量恆星臨終時的高能活動。（圖片來源：THE GAMMA-RAY BURST REAL-TIME SKY MAP(SONOMA STATE UNIVERSITY)）

一旦Swift或其它儀器偵測到GRB光閃，在數分鐘之內，天文學家就能通過短訊和遍布全球的觀測網路獲知信號的所在位置。GRB輻射也會衝擊臨近物質，使後者在能量較低的波段發出輝光。通過研究各個波段的GRB餘輝，天文學家發現最明亮、持續時間最長的GRB來自於恆星形成活躍的星系。此外，超新星爆發往往伴隨著GRB。由於超新星昭示著恆星的死亡，這兩者間的關聯也暗示出超大質量恆星的死亡引發了宇宙中最猛烈的高能現象。天文學家特意將之命名為坍縮星或極超新星。

孕育一顆極超新星：在超大質量恆星臨終之際，它的核心向內坍塌、形成黑洞。與此同時，自星核殘骸向外噴湧出高速粒子流。如果有噴流正好指向地球，天文學家就會觀測到持續數秒、甚至數小時的伽馬射線暴及持續數周的低能輻射。第一階段：星風吹 走大質量恆星的外殼，留下被氫層層包裹著的金屬內核。第二階段：鐵是最穩定的元素。它的核聚變反應不釋放能量。此後，星核會因為失去能源而無法抵禦自身的 引力，塌縮成黑洞。環繞黑洞的吸積盤沿星核兩極產生出高速粒子流。第三階段：緊鄰黑洞的物質噴流很快穿透恆星，導致恆星解體。第四階段：高速物質噴流與恆 星的拋出物發生碰撞，產生內部激波；這些激波發射出伽馬射線。第五階段：噴流中的高速粒子橫掃星際介質，產生外部激波。激波發射出諸如X射線、可見光和射電波這樣的低能輻射。科學家稱之為伽馬射線暴餘暉。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）

當星核坍縮成黑洞，餘下的物質也向中心掉落，並在掉落過程中繞星核殘骸旋轉，形成吸積盤。由於某種目前未知的複雜機制，盤內物質會在星核兩極產生物質噴流。當噴流到達恆星表面，它們會沿噴流方向發出伽馬射線。若有一束噴流正好對準地球，望遠鏡便能看到伽馬射線長暴或超長暴。

劍魚座30內部的大質量恆星拋出物質和輻射。這些拋出物掃過附近的氣體。氣體因為撞擊而升溫至幾百萬度。如此高溫的氣體發射出X射線——即上面合成圖中顯示為藍色的部分。（圖片來源：X射線：NASA/CXC/PSU/L. TOWNSLEY, ET AL.;紅外輻射：NASA/JPL/PSU/L. TOWENSLEY, ET AL.）

打破紀錄者

GRB並不常見——類似銀河系這樣的星系大概每1百萬年才有幾次GRB。為了搜集到更多的GRB，天文學家需要把目光轉向其它星系。天體離我們越遠，它的光就需要花更長時間才能傳到地球，我們實際看到的也就是它們更年輕時的模樣。GRB是裸眼所能看到的最遙遠天體：2008年3月19日，編號為080319B的GRB的輻射能量如此高，以至於它的餘暉在短短30秒內便飆升到5.3星等。無論是誰，當時若恰好看向夜空中的牧夫座，便能看到死於75億年前的恆星臨終發出的最後光輝。

2008 年3月19日，美國宇航局的Swift衛星探測到來自垂死大質量恆星的伽馬射線暴（簡稱GRB）。這次暴發如此明亮，以至於任何置身於暗處的人，在看向夜空中的牧夫座時，都能輕而易舉看到它。上圖並排顯示出這個GRB在X射線（左）和光學波段的餘暉。（圖片來源：NASA/SWIFT/STEFAN IMMLER, ET AL.）

不過，這還不是GRB保持的唯一紀錄：天文學家能夠直接探測到的最遙遠天體是一個爆發於132億年前的、令人震驚的GRB。它的光穿越漫長時空，直至2009年才傳到地球。導致這次爆炸的超新星爆發距離宇宙大爆炸才不過6億2千萬年。那時候，宇宙第一批星系正在形成。

這兩個GRB都是長暴。近些年，天文學家還探測到不少超長暴。它們似乎只來自於超大質量恆星。這些恆星發出的伽馬射線信號綿延數小時不斷。天文學家認為超長暴的形成機制與長暴相同——即與恆星塌縮成黑洞時產生的噴流有關——只不過，產生超長暴的恆星質量極大。如果大質量或超大質量恆星的星風沒能吹跑外殼，以至於恆星還保留著自身的氣體，並且體量龐大（半徑延伸至木星軌道那麼遠），恆星就有可能產生超長暴。由於恆星的邊界遠超過那些拋掉大量物質的恆星，爆炸從恆星內部傳出所需要的時間也就更長。另外，在此情況下，黑洞能吸積的物質較多，因此能為超長GRB提供能量。

最早的「搖滾明星」

閃爍的GRB促使天文學家去認識宇宙第一代恆星（也被稱為星族III恆星）。在最初幾億年里，宇宙的化學組分與現在大不一樣。由物質積聚形成的恆星自然也與現在的恆星大不相同。那時候，在大爆炸之後幾分鐘內形成的基本元素充斥在宇宙各處，其中約75%是氫，25%是氦，還有少量「金屬」（天文學家把除氫和氦之外的元素通稱為金屬，因為與前兩種元素相比，後者的含量極低。）。與純粹的氫雲相比，金屬可以加快塵埃雲的降溫速度。低溫下，較易形成小質量恆星。而在沒有金屬的環境中，塵埃雲的溫度偏高。計算機數值模擬表明，此條件下形成的恆星，其質量是太陽質量的幾百倍，比如今所見的恆星大多了。

宇宙第一代恆星，正如圖中數值模擬顯示的那樣，可能是些龐然大物——其質量比太陽高出至少100倍。它們快速消耗著宇宙原初的氫和氦，並在臨終爆炸時，把生成的許多重元素拋灑到空間中去。（圖片來源：ASTRONOMY）

沒人確切知道第一代恆星到底有多大。這是因為天文學家還不具備直接探測到它們的能力。時至今日，他們只能通過星系偶然產生的引力透鏡現象，隱約察覺到它們的存在。天文學家把首次看到星族III恆星的希望寄托在即將登場的James Webb空間望遠鏡（美國宇航局）身上。

考慮到此類恆星質量很大，科學家估算出它們在化身為耀眼的超新星之前，大約只能存活一百萬年。不過，在臨終爆發前，恆星核心的核聚變反應會產生包括碳、氧、硅、鐵在內的，排在元素周期表前26位的元素。作為宇宙第一代恆星，星族III把金屬拋灑到宇宙空間中，以此留下了自己的印記。同時，它們也把自身帶入了絕境。它們的金屬釋放工作如此高效，以至於今日的天文學家連一顆不含金屬的恆星都找不到了。

超大質量恆星已經走過或正在走著的、短暫卻壯麗的生命之旅，深深影響著鄰近恆星的形成。「它們是星系的馬達。因為它們在爆發成為超新星時，會影響周圍環境的動力學特徵和化學組分，」荷蘭阿姆斯特丹大學的Lucas Ellerbroek解釋說。」它們把大量金屬釋放到周邊的環境中去。儘管還未得到證實，但科學家認為超新星推動了恆星形成潮。「

超大質量恆星也直接影響著我們人類。也許，在孕育出太陽的、久遠得早已被遺忘的星雲中，正是附近的超大質量恆星的生與死才使物質開始聚積。更加顯而易見的是，地球上的元素，無一例外，都是在古老恆星的核心聚合而成——從構成骨骼的碳到呼吸的氧氣，還有製造電腦的硅。按圖索驥，一切都可追溯到宇宙第一代恆星。超大質量恆星雖然不多見，卻對宇宙演化至關重要。它們在塑造整個宇宙歷史中的生命、恆星和星系方面扮演著不可或缺的重要角色。