登陆注册
444700000069

第69章 宇宙中的孪生子—双星(下)

对于天体物理学家来说,双星是最能提供信息的天体。人们可以从双星得到比单星更多的东西。双星引起的广泛关注是因为有一段时间,似乎双星证明我们所有关于恒星演化的概念都是错误的。有些研究双星的人也曾经简单地断言,双星中的恒星演化和20世纪50年代以及60年代科学家所认为的情况完全不同。之所以引起这种怀疑的原因是因为有一类特殊双星的存在。这类双星第一次被人们注意是在1667年,当时博洛尼亚的天文学家吉米安尼·蒙塔纳里发现英仙座的第二颗最亮星突然有一段时间变得比平时暗很多。下面我们就从双星的独特之处来验证一下我们的恒星演化理论。

 双星演化中的佯谬

在单星情况下,恒星周围的物质仅仅受到指向恒星中心的引力作用。然而在一个双星系统中,任何地方的物质都会同时受到两个恒星的引力作用。如果两颗恒星的引力方向相反(对于两星连线上的点),这两个力可以全部或是部分地被抵消(见图4-18)。我们给两颗恒星编号为1和2。由于引力是随着距离的增大而急剧减小,所以,在靠近恒星1的地方,恒星1的引力就成为主要的。而在恒星2的附近,后者的引力是主要的。我们可以在每颗恒星的周围画出一个所谓“允许”体积。如果把气体放到这个体积内,则气体会落到位于这个体积内的恒星上去。人们把允许体积称为洛希体积。恒星的引力在它的洛希体积内是主要的。图4-18中用虚线表示的曲线是最大允许体积的外截面。在图中还可看到,当气体参与两星的互相围绕运动时,气体还应受到附加的离心力作用。位于图4-18中两个允许体积外部的物质,可以被离心力抛出系统去,也可以落到两星中的某一颗星上去。但在任何一个洛希体积内的物质,必定要坠落到该体积内的那颗星上去。允许体积的大小和两颗星的质量以及它们间的距离有关,而且,已知双星是很容易计算出来的。

两颗星用黑点来表示,箭头表示作用在该处的气体原子上的力的方向。在恒星的附近,它的重力是主要的。箭头或者指向恒星、或者指向恒星2。在两星连线上有一点。这里两颗星的引力互相抵消。由于两颗星互相围绕转动(转动轴和转动方向在图的上半部分给出),因此在离轴较远处,将物质抛出去的离心力是主要的。每一颗星存在一个最大体积。当它膨胀至超出图中用虚线表示的空间区域时,它外壳的一部分就要流到另外一颗星上去。

如果观测双星,则常会发现,有的双星系统中两颗星都位于它们的洛希体积以内(图4-19)。这时对于任意一颗星的表面来说,指向中心的自身重力是主要的。粗略地说,这时没有哪一颗星会感觉到它的伴星的作用。因此并不奇怪,被人们称为不相接型的密近双星和单星是没有区别的。在多数情况下,两颗星均是通常的主序星,它们都是靠氢聚变提供能量,并且只消耗了很少一部分燃料。此外,还有另一类双星系统,其中一颗星是在它的允许体积以内,而另外一颗星则正好充满它的允许体积。人们称这类双星为半相接型双星(图4-19),大陵五双星就是其中之一,托勒密曾称其为“女怪之首”。

不相接双星(a)。其中两颗星都明显地在虚曲线表示的最大允许体积之内。半相接双星(b)。左边的星正好充满它的洛希体积半相接双星中质量大的星小于它的洛希体积,它是一颗正常的主序星。而质量较小的星却完全不同,它正好达到允许体积的边界,并且在赫罗图中已位于主序的右边,明显地朝着红巨星方向移动了(图4-20)。质量较大的星还没有将它的氢全部耗尽,因为它还在主序上。然而质量较小的星似乎已经将它中心区域的氢全部耗尽,因为它已准备向红巨星区域运动。

半相接双星系统中质量较大的星(图中用圆点表示)还在主序上,而质量较小的星(用圆圈表示)已经离开了主序这和我们的恒星演化概念完全相反。我们曾看到,质量大的恒星演化得很快,首先耗尽它的氢燃料。然而在这里,两颗年龄相同的恒星中却是质量较小的星首先耗尽它的氢燃料。至于两颗星的年龄相同,我们不必怀疑,因为不存在一颗星能够捕获另一颗星的现象,所以,它们必须是同时诞生的。为什么质量较小的星反而演化得快难道是恒星演化基本概念错了不仅大陵五型双星使我们在演化概念上遇到疑难,某些不相接双星也使我们处于困境之中。我们知道,天狼星和一颗质量仅有0.98个太阳质量的白矮星组成一个双星系统。根据计算机得到的太阳演化史可知,一颗比太阳质量还要小的恒星,从它诞生起至少要经过100亿年才能变为白矮星。它无论如何要比我们今天的太阳老得多。天狼星双星的主星却有2.3个太阳质量,因此它应该更快地演化。但是,它仍然表现出具有正在进行氢燃烧的未演化恒星的所有性质。这里再次出现了双星中质量较大的星还没有耗尽氢,而质量较小的星已耗尽氢,处于后期演化阶段中。

人们不愿怀疑恒星演化的理论基础,因为这个理论完全符合于星团的观测结果。那么是什么原因使一颗双星系统中的恒星的演化变得反常了计算机一般总是科学家们最后的一张王牌,为了解决这个问题,一些天文学家开始使用计算机。

 半相接双星系统的诞生

首先取得成功的是半相接双星系统的计算。演化开始时它们分别是9个太阳质量和5个太阳质量的主序星,它们以1.5天为周期,相距13.2个太阳半径互相围绕着运动。质量较大的星演化得快,另一颗星的演化速度几乎感觉不到。当9个太阳质量的恒星不断地将它的氢消耗掉时,它的外层慢慢地膨胀起来。经过1 250万年,其中心的氢的含量已下降了一半,这时恒星已经膨胀到正好充满了它的允许体积,在图4-21所示的赫罗图中它到达演化程中的a点。若再继续下去,质量必然流到伴星上去。

由5个太阳质量和9个太阳质量的两颗子星组成的密近双星系统的演化计算告诉我们,并不是减去一个很小的质量就能使恒星的体积缩小。这会引起一场持续6万年的灾难。在这个期间,恒星从原始的9个太阳质量中要损失掉5.3个太阳质量给它的伴星,而伴星现在具有5+5.3=10.3个太阳质量。伴星已吸收这么多质量,使得它现在成为质量较大的星。于是,在一个对于恒星生命来说是很短的时间里,质量较大的恒星和质量较小的恒星的地位互相交换了。在赫罗图中氢已耗尽的星位于b点上。这颗星已经较早地消耗掉相当部分的氢,因而是一颗已演化的星,所以它在主序的右边。在宁静下来以后,它还要进行一段时间的慢速演化。这时它要将中心部分剩余的氢全部耗尽。与此同时它还会慢慢地膨胀,并在以后的1 000万年中,继续将物质转移到伴星上去。

 一颗白矮星的诞生

第二个成功的计算案例最终导致了一颗白矮星的诞生。我们选择了小质量恒星,让其中一颗星的质量为1个太阳质量,另一颗为2个太阳质量。两颗星最初的距离为太阳半径的6.6倍。图4-22给出在赫罗图中的结果。图4-23是以相同尺度表示的图。

一颗白矮星的诞生质量较大的星(2个太阳质量)由主序上a点开始,质量为1个太阳质量的另一颗星由a点开始。质量较大的星先演化,并在b点达到了它的洛希体积。在它不断将质量传给伴星时,它沿着虚线表示的演化程运动,到d点质量交换结束。现在只剩下0.26个太阳质量的恒星,运动到e点变成白矮星。伴星在质量增加的情况下沿着主序运动到d′点。

同一尺度来表示图中的字母和图4-22表示的赫罗图中的字母相对应。每颗恒星的最大允许体积(洛希体积)用虚线表示。可以看到,在质量交换过程中两颗星间的距离可以变化十分强烈。两颗星相距越远,则最大允许体积越大。由上往下的直线为双星系统的旋转轴。图的上方开始时是两颗主序星互相围绕运动,但在图的下方结尾时只有一颗主序星(右边)和一颗极小的白矮星(左边)。

这里仍然是质量较大的星演化快,并不断增大它的半径。现在双星的距离是这样选择的:只有当主星中心部分的氢全部变成氦以后,即经过5.7亿年以后,它才能膨胀到它的允许体积。和第一对双星的情况基本相似,这时先有一个快速的质量交换过程,总共为500万年。在这期间从主星上大约转移了一个太阳质量的物质到伴星上去。随后又有一个慢速的质量交换过程,总共为1.2亿年。在慢速质量交换结束时,最初为2个太阳质量的星,现在只余下0.26个太阳质量,它几乎把含氢丰富的全部外壳丢掉了。

过去在它内部深处通过氢的核反应所生成的氦仍然留下,即现在为0.26个太阳质量恒星的内部是由氦组成的。在氦的外面有一个很厚的外壳,外壳内是含氢丰富的气体,密度很小。在质量损失结束时,这颗星已成为红巨星。这颗巨星的内部情况是无法观测到的,但我们可以通过计算来了解。这颗星的半径几乎为10个太阳半径。它的绝大部分体积属于氢外壳,被稀薄的气体充满。恒星物质的99%都是氦,并且被压缩在一个很小的,半径只有太阳半径的1/20的中心小球内。它就是红巨星中的白矮星。不过它还有一个很大的外壳。质量损失结束后,外壳的膨胀力也消耗完了,它将逐渐落到小氦球上,同时半径大大减小。从外部看越来越像白矮星。在赫罗图中它向左下方运动到白矮星所在的地方。

这中间伴星又怎么样了通过原来质量较大的恒星的物质损失,使它得到了2-0.26=1.74个太阳质量。再次出现了主星和次星的地位发生交换的现象。现在质量较大的星(2.74个太阳质量)获得质量以后的时间比较短,没有较大的演变,但另一颗星已变成了白矮星。计算结果证实了,在同时诞生的一对恒星中,可以形成一颗白矮星和一颗质量较大的、没有演化的主序星。这种情况和人们在天狼星双星中所观测到的一样。

佯谬和困难似乎已经得到解决。双星观测又进一步提供了一个证据,以说明恒星演化理论的基本概念大体上是正确的。

同类推荐
  • 网络世界

    网络世界

    科学是人类进步的第一推动力,而科学知识的普及则是实现这一推动的必由之路。在新的时代,科技的发展、人们生活水平的不断提高,为我们青少年的科普教育提供了新的契机。抓住这个契机,大力普及科学知识,传播科学精神,提高青少年的科学素质,是我们全社会的重要课题。科学教育,是提高青少年素质的重要因素,是现代教育的核心,这不仅能使青少年获得生活和未来所需的知识与技能,更重要的是能使青少年获得科学思想、科学精神、科学态度及科学方法的熏陶和培养。科学教育,让广大青少年树立这样一个牢固的信念:科学总是在寻求、发现和了解世界的新现象,研究和掌握新规律,它是创造性的,它又是在不懈地追求真理,需要我们不断地努力奋斗。
  • 诱人的海洋

    诱人的海洋

    本书介绍了海洋蕴藏的能量和资源,孕育的动物和相关趣事,海底世界的地理奇观和大量宝藏,以及海洋里的许多奇异现象和未解之谜等。
  • 有趣的昆虫王国

    有趣的昆虫王国

    广袤太空,神秘莫测;大千世界,无奇不有;人类历史,纷繁复杂;个体生命,奥妙无穷。
  • 世界各地神秘事件

    世界各地神秘事件

    UFO出没、”死亡之海“翻腾、飞机坠毁、海岛怪湖杀人……一件又一件的神秘离奇事件,究竟是天然形成还是人为祸乱呢?
热门推荐
  • 分手之后还爱你

    分手之后还爱你

    分手后,苏子悦才发现自己竟然怀孕了,分手是因为知道那个男人不爱自己,如今又该何去何从?当她终于做出选择,多年前的秘密又在她面前慢慢展开……
  • ①嗨,我的猫咪

    ①嗨,我的猫咪

    -她是故作乖巧的唐家长女,他是不学无术的傅家大少罹患癌症的老人临行前的安排让他们走到了一起★★【友情提示】★★(此文是我的第二篇文,前四十章节,都是废话,不在状态,不推荐看。文行温馨,女主矫情,慎入啊!!)☆☆【我手写文,你心看文,其实是一种幸福,感谢大家】☆☆
  • 李嘉诚60年经商的黄金法则

    李嘉诚60年经商的黄金法则

    华人第一富商60年商战不败的经商哲学!精确解读“超人”的经商理念,深刻剖析“商神”的管理模式。李嘉诚走过的每一步都是他在商海中用心探索,大胆实践的结果,值得有志于在商场上大展宏图的人细细品味,学习领悟它的经商经验,处事风格,做人魅力……
  • 明治天皇:孝明帝驾崩卷(下册)

    明治天皇:孝明帝驾崩卷(下册)

    《明治天皇》再现了日本从幕末走向明治维新的历史变革,以优美的文笔,宏大的场景,详细描绘了日本近代决定国运的倒幕运动的整个过程。本书塑造了一个个鲜活的日本近代史人物形象,以及他们的坚定信念,对“安政大狱”、“樱田门之变”等重大历史事件的描述详实生动,是一部了解近代日本不可多得的佳作。
  • 我们三个都是穿越来的

    我们三个都是穿越来的

    我是因为看了很多的穿越小说,也很想穿越。谁想我想想就能穿越,穿越就穿越吧,居然穿成怀孕九月的待产产妇,开玩笑嘛!人家在二十一世纪还是黄花一枚呢。这也可以接受,可是明明是丞相之女,堂堂四皇子的正牌王妃怎么会居住在这么一个几十平米得破落小院子里,她怎么混的,亏她还一身绝世武功,再是医毒双绝。哎。没关系,既然让我继承了这么多优越条件,一个王爷算得了什么?生下一对龙凤胎,居然都是穿过来的,神啊,你对我太好了吧?且看我们母子三人在古代风生水起笑料百出的古代生活吧。片段一在我走出大门时,突然转身对着轩辕心安说道:“王爷,若是哪天不幸你爱上了我,我定会让你生不如死的。”然后魅惑地一笑,潇洒地走了出去。片段二当我对着铜镜里的美人自恋地哼出不着调地歌时。“别哼了,难听死了。”一个清脆的声音响起。~~~接着一声尖叫紧跟着另一声尖叫。我用上轻功躲进了被子里.~~~"我和你一样是二十一世纪来的。”“你好,娘亲,哥哥,以后要多多指教。”来自两个婴儿的嘴里,我摸摸额头,没高烧啊。片段三“小鱼儿,我可是你孩子的爹,况且我没有写休书,你还是我的王妃。我会对你好的。”安王爷霸道地说道。“你们认识他吗?他说是你们的爹?”我问着脚边的两个孩子。“不认识,”女孩说道。“我们的爹不是埋在土里了吗?怎么他一点也不脏?”男孩问道。那个男人满头黑线。“对不起,我们不认识你。”说完拉着孩子转身就走。片段四“爹爹,这是我娘,你看漂亮吧?”南宫心乐拉着一个白衣帅哥进来问道。我无语中。“爹爹,你看我娘亲厉害吧?“南宫心馨拉着另外一个妖精似地男人走了进来。我想晕。“这才是我们的爹。”“才不是呢,这个才是”两人开始吵起来了。“我才是你们的爹。”安王爷气急地吼道。“滚一边去。”两个小孩同时说道。屋里顿时混乱之中。转头,回屋睡觉去了。推荐完结文《别哭黛玉》完结文《穿越之无泪潇湘》新文,《极品花痴》
  • 医手遮香

    医手遮香

    冤死重生为贫女,祖母不慈,母亲好欺,便宜渣爹只是个无情无义的穷苦小官,身边还有个小妾上蹿下跳、挑拨离间?那又何妨,她有神医绝技在手,岂会怕这么一点小艰难?新书《凤门嫡女》已发,欢迎入坑
  • 我们三个都是穿越来的

    我们三个都是穿越来的

    我是因为看了很多的穿越小说,也很想穿越。谁想我想想就能穿越,穿越就穿越吧,居然穿成怀孕九月的待产产妇,开玩笑嘛!人家在二十一世纪还是黄花一枚呢。这也可以接受,可是明明是丞相之女,堂堂四皇子的正牌王妃怎么会居住在这么一个几十平米得破落小院子里,她怎么混的,亏她还一身绝世武功,再是医毒双绝。哎。没关系,既然让我继承了这么多优越条件,一个王爷算得了什么?生下一对龙凤胎,居然都是穿过来的,神啊,你对我太好了吧?且看我们母子三人在古代风生水起笑料百出的古代生活吧。片段一在我走出大门时,突然转身对着轩辕心安说道:“王爷,若是哪天不幸你爱上了我,我定会让你生不如死的。”然后魅惑地一笑,潇洒地走了出去。片段二当我对着铜镜里的美人自恋地哼出不着调地歌时。“别哼了,难听死了。”一个清脆的声音响起。~~~接着一声尖叫紧跟着另一声尖叫。我用上轻功躲进了被子里.~~~"我和你一样是二十一世纪来的。”“你好,娘亲,哥哥,以后要多多指教。”来自两个婴儿的嘴里,我摸摸额头,没高烧啊。片段三“小鱼儿,我可是你孩子的爹,况且我没有写休书,你还是我的王妃。我会对你好的。”安王爷霸道地说道。“你们认识他吗?他说是你们的爹?”我问着脚边的两个孩子。“不认识,”女孩说道。“我们的爹不是埋在土里了吗?怎么他一点也不脏?”男孩问道。那个男人满头黑线。“对不起,我们不认识你。”说完拉着孩子转身就走。片段四“爹爹,这是我娘,你看漂亮吧?”南宫心乐拉着一个白衣帅哥进来问道。我无语中。“爹爹,你看我娘亲厉害吧?“南宫心馨拉着另外一个妖精似地男人走了进来。我想晕。“这才是我们的爹。”“才不是呢,这个才是”两人开始吵起来了。“我才是你们的爹。”安王爷气急地吼道。“滚一边去。”两个小孩同时说道。屋里顿时混乱之中。转头,回屋睡觉去了。推荐完结文《别哭黛玉》完结文《穿越之无泪潇湘》新文,《极品花痴》
  • 天才战斗师:狂爆嫡妃

    天才战斗师:狂爆嫡妃

    当一个强大的灵魂重生到一个遭人唾弃,人畜可欺的身体上,势必要凤凰涅槃。欺她之人,灭他满门!绝世废材?她是二十一世纪的NO.1杀手,穿越到这个玄幻大陆,绝对是要风生水起,站在顶端,让众人仰望。看她如何逆天升级亮瞎你们的眼。灵药?天赐原始之火,任何灵丹妙药手到擒来。灵兽?王兽之王都匍匐她脚下,其他的莫敢不从!另有乾坤袋,收罗天下至宝!奈何成神之路很艰苦,总是有人来挡路。“女人你好大胆子?”俊美如天神的男子薄唇轻轻吐出一句话,掀动一地杀气。迎上男子锐利目光,女子素手微扬,匕首直压男子胸口,巧笑嫣然“我死之前,绝对可以拉你做垫背。”
  • 魔法与诅咒

    魔法与诅咒

    这是个魔法的世界,魔法能移开高山,填平大海,改变整个大陆的格局……云哲,就生活在这个魔法世界的海边小村里。一次意外让他被海云魔兽突袭,随后被神秘人搭救,更是解除了云哲身上血灵诅咒,而后在三年一届的魔法公会大选之前,来到国都参加考核的云哲意外遇在药店遇到了十耀,那么他会有什么的际遇呢?天要亡我,我要亡天!看我如何吞噬诅咒,成为至强!
  • 明治天皇:孝明帝驾崩卷(下册)

    明治天皇:孝明帝驾崩卷(下册)

    《明治天皇》再现了日本从幕末走向明治维新的历史变革,以优美的文笔,宏大的场景,详细描绘了日本近代决定国运的倒幕运动的整个过程。本书塑造了一个个鲜活的日本近代史人物形象,以及他们的坚定信念,对“安政大狱”、“樱田门之变”等重大历史事件的描述详实生动,是一部了解近代日本不可多得的佳作。