沃爾夫-拉葉恒星的演化

作者：李志

沃爾夫-拉葉恒星的特征與分類(lèi)

沃爾夫-拉葉（Wolf-Rayet）星的亮度極高，有著十分絢麗的外觀，并因此受到天文愛(ài)好者的廣泛關(guān)注。這類(lèi)恒星最早是在1867年，由天文學(xué)家查爾斯·沃爾夫和喬治·拉葉所發(fā)現(xiàn)。為了紀(jì)念這兩位發(fā)現(xiàn)者，將其命名為沃爾夫-拉葉星（簡(jiǎn)稱(chēng)WR星）。沃爾夫-拉葉星的表面有著明顯的元素增豐現(xiàn)象，并且伴隨著十分強(qiáng)烈的恒星風(fēng)。它們的表面溫度在20,000 K到200,000 K之間，明顯地高于其他恒星。通常人們所討論的典型沃爾夫-拉葉星（cWRs）是處于中心氦燃燒階段，所以沃爾夫-拉葉星的一生無(wú)比絢麗且短暫。

不同于其它恒星光譜中常見(jiàn)的狹窄暗線，沃爾夫-拉葉星的光譜呈現(xiàn)出亮而寬的發(fā)射線，其光譜中除了有強(qiáng)的氦發(fā)射線，還有著明顯的重元素（碳、氮和氧）線。按照其光譜特征，天文學(xué)家一般將沃爾夫-拉葉星分為三大類(lèi)：WN型、WC型和WO型。其中，WN型沃爾夫-拉葉星的光譜中有強(qiáng)而寬的氦和氮發(fā)射線；WC型沃爾夫-拉葉星的光譜中有強(qiáng)而寬的氦、碳和氧發(fā)射線；WO型和WC型的譜線相似，只是氧線更強(qiáng)一些，且具有更高的有效溫度。此外，還有一種處于WN型向WC型過(guò)渡階段的特殊子類(lèi)，簡(jiǎn)稱(chēng)為WNC型或WN/WC型沃爾夫-拉葉星。

大質(zhì)量恒星核反應(yīng)產(chǎn)物

運(yùn)用天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)恒星進(jìn)行觀測(cè)，只能獲取恒星表面的各種物理參數(shù)，然而對(duì)于恒星內(nèi)部的信息了解甚少。盡管恒星演化模型在歷經(jīng)幾十年的不斷改進(jìn)已經(jīng)十分成熟了，但是通過(guò)觀測(cè)手段（例如星震學(xué)）得到恒星內(nèi)部參數(shù)，來(lái)驗(yàn)證恒星模型仍然十分困難。沃爾夫-拉葉星由于具有十分強(qiáng)烈的星風(fēng)物質(zhì)損失，能夠迅速地將包層物質(zhì)剝離，就像剝洋蔥一樣，將恒星內(nèi)部的核反應(yīng)產(chǎn)物逐步地展示出來(lái)。由于恒星中心先進(jìn)行氫燃燒再進(jìn)行氦燃燒，因此，沃爾夫-拉葉星首先形成WN型，然后逐漸演化成為WC型。

大質(zhì)量恒星在氫燃燒階段，主要以碳氮氧循環(huán)進(jìn)行，并且當(dāng)熱核反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，在燃燒區(qū)有明顯的氮元素增豐現(xiàn)象。因此，WN型沃爾夫-拉葉星除了有氦發(fā)射線之外，還有明顯的氮發(fā)射線。同理，氦燃燒的主要產(chǎn)物是碳和氧，所以WC型沃爾夫-拉葉星有著強(qiáng)而寬的碳、氧發(fā)射線。在大質(zhì)量恒星內(nèi)部進(jìn)行熱核反應(yīng)時(shí)，恒星中心會(huì)形成巨大的對(duì)流核，能夠迅速地將物質(zhì)混合均勻。在對(duì)流核邊界附近，對(duì)流元會(huì)在慣性的作用下出現(xiàn)對(duì)流超射現(xiàn)象，并與對(duì)流邊界外的物質(zhì)進(jìn)行混合。十分有趣的是，在沃爾夫-拉葉星進(jìn)行氦燃燒時(shí)，對(duì)流超射將氦燃燒產(chǎn)物碳搬運(yùn)到對(duì)流核外與氫燃燒的產(chǎn)物氮發(fā)生混合，從而使得部分區(qū)域同時(shí)擁有氫燃燒和氦燃燒的產(chǎn)物。這便是先前所提到的過(guò)渡型沃爾夫-拉葉星---WNC型。該類(lèi)恒星特殊的形成機(jī)制，為人們研究恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化歷程提供了一條全新的途徑。

對(duì)流超射的k-omega模型

有關(guān)恒星對(duì)流核大小的研究，是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。對(duì)流區(qū)的邊界可以通過(guò)史瓦西判據(jù)或勒都判據(jù)確定。然而，通過(guò)上述兩種對(duì)流判據(jù)所得到的邊界只是加速度為零的位置，對(duì)流元會(huì)繼續(xù)向外移動(dòng)，從而在對(duì)流區(qū)外形成額外的元素混合區(qū)，進(jìn)而改變對(duì)流核的大小。這種對(duì)流超射現(xiàn)象對(duì)恒星的結(jié)構(gòu)與演化產(chǎn)生重要影響，目前，人們通常采用經(jīng)典混合長(zhǎng)理論對(duì)超射混合做近似處理。

雖然混合長(zhǎng)理論的應(yīng)用很廣泛，但是它畢竟不是遵循流體動(dòng)力學(xué)方程和湍流理論的動(dòng)力學(xué)模型。為了進(jìn)一步完善恒星演化模型，云南天文臺(tái)的研究人員發(fā)展了對(duì)流理論的k-omega模型。這是一種完全基于流體力學(xué)來(lái)描述恒星內(nèi)部對(duì)流運(yùn)動(dòng)的模型，該模型不僅能夠精確地計(jì)算太陽(yáng)的對(duì)流區(qū)結(jié)構(gòu)，還能應(yīng)用到大質(zhì)量恒星演化、恒星鋰豐度問(wèn)題、熱亞矮星演化和星震學(xué)等領(lǐng)域。

大質(zhì)量恒星演化網(wǎng)格

研究人員運(yùn)用k-omega模型處理大質(zhì)量恒星內(nèi)部的對(duì)流超射，同時(shí)還考慮了恒星自轉(zhuǎn)的影響，使沃爾夫-拉葉星的演化軌跡能夠更好地覆蓋大多數(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)（如圖1所示）。 轉(zhuǎn)動(dòng)模型和非轉(zhuǎn)動(dòng)模型均能很好地解釋光度大于20萬(wàn)倍太陽(yáng)光度的沃爾夫-拉葉星的形成，同時(shí)恒星自轉(zhuǎn)能夠使恒星更早地出現(xiàn)表明氮元素增豐現(xiàn)象，也更容易形成沃爾夫-拉葉星。

圖1. 大質(zhì)量恒星在赫羅圖中的演化軌跡

該研究計(jì)算了與太陽(yáng)具有相同的金屬豐度（Z = 0.02），且初始質(zhì)量在25-120倍太陽(yáng)質(zhì)量范圍內(nèi)的沃爾夫-拉葉星演化網(wǎng)格。利用k-omega模型，這些恒星具有更大的對(duì)流核質(zhì)量，并且在超射區(qū)形成更大的部分混合區(qū)，從而具有更寬的化學(xué)元素過(guò)渡區(qū)。與采用經(jīng)典混合長(zhǎng)模型處理對(duì)流超射的恒星模型對(duì)比，這些恒星相對(duì)應(yīng)的對(duì)流超射混合系數(shù)的設(shè)置隨恒星質(zhì)量的增加而增加。對(duì)于能夠形成WR恒星的大質(zhì)量恒星，即初始質(zhì)量大于30倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，運(yùn)用經(jīng)典混合長(zhǎng)理論計(jì)算時(shí)可以選取超射混合參數(shù)為0.027，從而得到與k-omega模型相近的結(jié)果。該數(shù)值明顯大于以往人們常用的超射混合參數(shù)值（0.014）。

WNC型沃爾夫-拉葉星

沃爾夫-拉葉星表面元素豐度的演化，取決于恒星的內(nèi)部混合和星風(fēng)質(zhì)量損失。內(nèi)部混合過(guò)程會(huì)改變恒星的化學(xué)元素組分，從而影響沃爾夫-拉葉星在不同階段的演化，圖4展示了進(jìn)入WNC階段之前的化學(xué)元素輪廓。對(duì)于非轉(zhuǎn)動(dòng)模型（上圖），只有極小部分的混合區(qū)域擁有較高的碳豐度，在考慮轉(zhuǎn)動(dòng)混合（下圖）的影響后，化學(xué)元素過(guò)渡區(qū)變得更寬且更平滑。這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)混合將對(duì)流核中產(chǎn)生的碳搬運(yùn)到氦殼層中，使得碳氮比（圖中紫色虛線所示）提高到0.1以上。人們通常按碳氮比來(lái)定義WNC型恒星，當(dāng)恒星表面的碳氮比在0.1～10之間時(shí)屬于WNC型。因此，恒星自轉(zhuǎn)能夠使恒星更早地進(jìn)入WNC階段，而且能明顯地增大WNC階段的年齡。

圖2. 非轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模型在進(jìn)入WNC階段前的內(nèi)部化學(xué)組成輪廓圖

圖3不僅給出了沃爾夫-拉葉星的質(zhì)量范圍，還給出了WNC、WC型星的質(zhì)量范圍?？紤]了恒星內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)混合效應(yīng)之后，WNC型星的質(zhì)量范圍是15～36倍太陽(yáng)質(zhì)量。這個(gè)結(jié)果能夠很好地解釋銀河系中質(zhì)量較大的WNC型星。轉(zhuǎn)動(dòng)模型和非轉(zhuǎn)動(dòng)模型的WNC/WR比值分別為0.059和0.004，這是因?yàn)閃NC與WC恒星的質(zhì)量差決定了恒星在WNC階段的年齡，其中質(zhì)量在40～60倍太陽(yáng)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)恒星模型占主導(dǎo)。如果說(shuō)沃爾夫-拉葉星的一生是十分短暫的，那么WNC型星則是轉(zhuǎn)瞬即逝的。銀河系中WNC恒星的占比極小，約為百分之二，因此必須考慮恒星轉(zhuǎn)動(dòng)之后才能得到與上述觀測(cè)數(shù)據(jù)相近的結(jié)果。這一結(jié)果也暗示著絕大多數(shù)的大質(zhì)量恒星在其形成初期通常有著明顯的自轉(zhuǎn)速度。

圖3. 形成WNC恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)和非轉(zhuǎn)動(dòng)模型的質(zhì)量與初始質(zhì)量的關(guān)系

展望

沃爾夫-拉葉星以其短暫而壯麗的一生，不僅為我們的星空增添了色彩，還為人們研究極端環(huán)境下的物理規(guī)律提供了天然的實(shí)驗(yàn)室。大質(zhì)量恒星的歸宿通常是進(jìn)行超新星爆發(fā)，或直接坍縮形成黑洞。建立不同金屬豐度下的大質(zhì)量恒星演化網(wǎng)格，對(duì)于研究超新星前身星和黑洞的形成有著重要意義。隨著人類(lèi)觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步，對(duì)于沃爾夫-拉葉星的觀測(cè)數(shù)據(jù)將會(huì)成倍地增長(zhǎng)，并且會(huì)有更多更遙遠(yuǎn)的沃爾夫-拉葉星系被發(fā)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)沃爾夫-拉葉星族進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，并與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，能夠不斷完善現(xiàn)有的恒星演化模型，并進(jìn)一步了解恒星內(nèi)部的對(duì)流超射和轉(zhuǎn)動(dòng)混合等微觀物理過(guò)程。

來(lái)源: 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)