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铁是如何使我们安全的

| 2019-08-12 阅读 69

大质量恒星旋转

你是否曾经担心过小行星撞击地球导致人类死亡?好吧,我有个令人不安的消息要告诉你们:还有另一种可能是,当一颗大质量恒星爆炸产生伽马射线暴(天文学家称之为GRB)时,这颗恒星结束它的生命时产生了一个黑洞。像我们的太阳这样的恒星旋转缓慢,每个月只旋转一次。相比之下,大质量恒星的旋转速度要快得多,达到每天一次的旋转速度。这种快速旋转被认为会对它们的进化和最终消亡产生巨大的影响,这可能会导致伽马射线爆发,这是自大爆炸以来最剧烈的宇宙爆炸。

大质量恒星内部复杂的内部旋转模式的理论计算

大质量恒星的演化被认为是不同物理过程之间复杂相互作用的结果,最明显的是质量损失和旋转。

虽然质量损失的重要性早在20世纪70年代就已确立,但轮换的作用直到21世纪初才得到充分重视。当恒星旋转时,极点的温度会比恒星赤道的温度高,使得恒星内部的环流变得相当复杂(见上图)。

在恒星的生命过程中,经过核处理的物质从恒星的核心运输到外层,从而使表面富含氮等元素。在后期的进化阶段,质量损失和旋转的结合也导致了碳和氧在恒星核心崩溃之前转移到表面,有时产生超新星,有时产生GRB,有时两者同时发生。

伽马暴的湿陷波模型

艺术家们描绘了伽马射线爆炸的样子。

从20世纪60年代开始,伽马射线暴从各个宇宙方向被发现。然而,对其起源的解释仍有待发现。1998年,一个由研究生Titus Galama领导的欧洲研究小组发现了一颗不同寻常的1998bw超新星与GRB 980425有关。这是一个令人信服的证据,证明长伽马射线暴(持续时间超过两秒)与大质量恒星的死亡有关。对于长GRB现象最流行的解释是Stan Woosley(1993)的湿陷模型,在该模型中,一个快速旋转的巨大核心坍塌,形成一个围绕黑洞的圆盘。在这个过程中,一些气体以极高(相对论性)速度喷射出来,与垂死恒星的旋转轴保持一致。

这些喷流被认为只包含了几度的开口角,只有当这些喷流恰好指向地球时,我们才能以GRB的形式探测到这一事件。

伽马暴之谜

坍缩模型的一个持续存在的问题是,它不仅要求恒星在最初具有高速旋转的速度,而且恒星需要保持这种快速旋转直到生命的最后。这之所以是一个挑战,是因为大质量恒星最具特色的其他特征之一,即它们的巨大质量损失,预计将消除旋转的能力(这与角动量的物理学有关)。

大多数恒星演化模型表明,由于质量损失,大质量恒星在到达其最终阶段(“沃尔夫-雷耶特”)时,不仅会移去其初始质量的90%,而且由于质量损失,恒星将完全停止运转!

因此,我们不会期望银河系中的大质量恒星在其寿命结束时产生GRB。问题是,我们对那些更无金属的星系中的大质量恒星有什么期待(也就是说,它们的重元素比例远低于我们星系中通常存在的恒星),而且它们的组成更具有早期宇宙的特征?为了解决这个问题,我们需要探索大质量恒星质量损失的物理根源。

铁铁铁

对气体和辐射的动力学模拟表明,大质量恒星的质量损失是由金属线造成的,更具体地说,是由铁造成的,尽管铁是如此稀有的元素。在银河系中,每一个铁原子都有超过2500个氢原子,而在星系中铁变得更加稀少较低的金属含量,如附近的麦哲伦云。由于铁的原子结构非常复杂,有数百万条线的跃迁,这使铁成为大质量恒星大气中辐射的极有效吸收器,而在大质量恒星的大气中,质量损失是在运动中产生的。2005,大多数恒星模型假定由于压倒性的存在这些恒星大气中碳的最后沃尔夫-拉叶星的阶段,还应该元素碳引起的质量损失,而不是一些铁原子,这基本上被认为是微不足道的。

这一假设还意味着,在低金属星系中,大质量的恒星会经历与我们星系中大质量的恒星同样严重的质量损失,基本上会使恒星的旋转消失。正是由于这个原因,对于GRB谜题没有令人满意的解释。

然而,grb主要出现在低金属星系中,这是早期宇宙的特征。有趣的是,我们今天所知道的宇宙中最遥远的物体确实是GRB,据估计是大爆炸后5亿年大质量恒星的坍塌造成的。

grb发生在低金属星系中,这可能意味着它们在宇宙早期很常见,那时恒星之间的气体含量较低。2005年,作者对低金属星系中Wolf-Rayet质量损失进行了研究,发现虽然碳是Wolf-Rayet大气中最常见的元素,但造成质量损失的是更为复杂的铁元素。

换句话说,那些诞生时铁原子数量较少的大质量恒星,在它们到达生命终点时,其质量会减少。引人注目的暗示是,在早期宇宙和其他低金属星系中形成的物体可以保持其快速旋转直至坍缩,从而引发GRB事件。我们现在认为grb只发生在低金属星系中,而正是我们银河系中的铁阻止了grb发生在太近而不舒服的地方。

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