坍缩为黑洞前的第一件事：瘦身
超大质量恒星就像是宇宙中的“摇滚巨星“——它们的威力十分强大，但生命却短暂而绚烂。
插图：一颗质量极大的恒星正喷发出大量的物质。（图片创作于Canva）
那些最终会坍缩成黑洞的超大质量恒星，在其短暂的一生中，抛射出的物质可能远超我们过去的想象。
为了与天文观测中对这些质量超过太阳100倍的恒星的观测数据相符，有个科学家团队估计，超大质量恒星必须拥有比过去估计强大得多的恒星风。这些强大的恒星风足以将这些庞然巨物的外层吹入太空。
研究团队的模型揭示了双星系统如何导致恒星合并，从而锻造出单一的超大质量恒星。他们还探讨了更强的恒星风如何影响黑洞群体，结果表明这不利于形成难以捉摸的中等质量黑洞。
“超大质量恒星就像宇宙中的‘摇滚巨星‘——它们强大，却拥有短暂的生命，“意大利高等研究院研究员、团队成员肯德尔·谢泼德说。“对这些超大质量恒星来说，它们的恒星风更像是飓风，而非微风。“
与我们平均寿命约100亿年的太阳不同，超大质量恒星燃烧核燃料的速度更快，寿命只有几百万年，甚至几十万年。
谢泼德指出，研究这些庞然大物非常重要，因为尽管它们寿命短暂，却对其周围环境产生了深远影响。“超大质量恒星的强风和其最终的超新星爆炸，将新形成的元素抛射到环境中。其中许多元素构成了新恒星的基础，而其他元素，如碳和氧，则是生命的基石。它们也是黑洞的前身，包括那些地球上能探测到引力波的双黑洞。“
摇滚巨星的正在“瘦身”
在这项新研究中，谢泼德和她的同事们分析了对超大质量恒星的理论和观测研究。
“如此巨大的恒星极为罕见，现有的观测限制也很少，“谢泼德说。“借助太空和地面望远镜，研究人员最近终于首次直接观测到了大麦哲伦云中蜘蛛星云内的几颗质量超过太阳100倍的恒星。“
先前的研究发现，蜘蛛星云中最巨大的恒星是罕见、炽热且明亮的沃尔夫-拉叶星亚型（WNh星），它们处于氢燃烧阶段的末期，意味着其表面仍残留有氢。
“人们发现这些恒星非常热，大约在摄氏40，000到50，000度。这有点太热了！“谢泼德解释道。“标准模型预测，随着恒星老化，它们应该膨胀并冷却，但这与新的观测结果相反。研究人员将两者结合起来，利用观测到的特性来校准一个质量损失的‘配方‘，从而将理论和观测统一起来。“
蜘蛛星云位于南天剑鱼座，距离地球16万光年，是巨大炽热恒星的家园。（图源：Fred Herrmann | Owl Mountain Observatory）
研究团队将这个配方纳入他们的恒星演化代码PARSEC，创建了一个新模型来解释蜘蛛星云中的大质量恒星。
谢泼德解释说：“我们的新模型现在能够匹配观测和理论。强大的恒星风剥离了恒星的外层，阻止了它冷却，同时保持了与WNh星匹配的表面成分。这颗恒星能更长时间地保持更紧凑和炽热的状态，完美再现了观测结果。“
这幅构想图展示了年轻恒星的相对大小，范围从质量约为0。1个太阳质量的最小红矮星，到低质量黄矮星（如太阳），再到质量是太阳八倍的大质量蓝矮星，以及名为R136a1、质量达300个太阳质量的恒星。（图源：欧洲南方天文台）
团队的研究表明，可能有两种不同的途径导致了像已知最重恒星R136a1这样的恒星的诞生。这颗恒星同样位于蜘蛛星云中，质量可达太阳的230倍，释放的能量比我们的太阳高数百万倍。它只有150万年的历史，相比之下太阳已有46亿岁。
团队的模型表明，R136a1可能一开始就是一颗巨大的单一恒星，也可能是一次剧烈的恒星合并的结果。
谢泼德表示：“我惊讶地发现，我们的结果为已知最重恒星R136a1的起源提供了两种截然不同的可能解释。令我相当着迷的是，双星合并——即两颗恒星合并成一颗更重的单一恒星——可能是一个合理的起源。更有趣的是，在单星起源和双星合并起源这两种场景下，为重现R136a1所需的初始质量存在差异。“
她补充说，对于一个单星起源来说，要与R136a1的特征匹配，其初始质量需要超过100倍太阳质量——这比双星合并起源所需的初始质量更大。这可能意味着，我们需要修正我们先前认为的、在局部宇宙中恒星质量上限的理论。
恒星风如何影响黑洞形成？
强烈的恒星风及其导致的快速质量流失，也对大质量恒星在其生命末期因自身引力坍缩形成黑洞的质量有着重要影响。
谢泼德说：“因为更强的恒星风剥离了恒星的大量质量，所以在它们生命末期形成的黑洞会更小。这项研究可以极大地帮助预测黑洞质量。使用标准和较弱质量流失配方的恒星模型可能会产生中等质量黑洞。“
这些质量约为太阳100到10，000倍的黑洞，已被证明是天文学家难以寻觅的。
谢泼德表示：“通过让恒星因更强的恒星风而流失更多质量，模拟中产生的这类不确定天体更少，这使得我们的模型更符合自然界中的发现！“
艺术家绘制的示意图展示了两颗黑洞在距地球14亿光年外，相互环绕并发生合并。这次合并产生了时空涟漪，即引力波。LIGO于2015年12月探测到这些引力波。（图源：LIGO）
团队还提出，与当前观点相反，如果系统要演化成两个黑洞质量都超过太阳约30倍的双黑洞，则需要更强的恒星风。
“更令人兴奋的是，当我们查看模拟中合并的双黑洞时，我们拥有更强恒星风的新模型能够产生两个黑洞都很大的系统，“谢泼德说。“这是令人兴奋的，因为这是引力波探测器已经观测到的一个黑洞群体，而之前使用标准恒星风的模型却难以模拟出来。“
在这些双星系统中的两个黑洞，在相互螺旋靠近并最终合并时，会发出被称为引力波的微小时空涟漪。但强烈的恒星风可能是促成这种情况发展的关键。
谢泼德解释说：“在较弱的标准恒星风作用下，两颗恒星会膨胀，更可能在变成黑洞之前就合并。相比之下，更强的恒星风可以将两颗恒星推开，使它们能够作为一对黑洞幸存下来，随后再螺旋靠近并合并。“
这项新研究专注于大麦哲伦云中的一个特定环境，该环境有其独特的化学成分。因此，谢泼德表示，团队的下一步将是尝试解释一些观测到的奇特恒星。
谢泼德总结道：“这些结果还不是普遍适用的，因此自然的下一步将是把这项研究扩展到一系列不同的初始化学成分，以模拟宇宙中不同的环境。看看预测的黑洞群体在这些不同的初始成分下如何变化，将是非常令人兴奋的。“
BY:Robert Lea
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选文：天文志愿文章组-
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.space.com/astronomy/very-massive-stars-vomit-vast-amounts-of-matter-before-collapsing-into-black-holes
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