二元系统的分类和进化,其恒星的命运取决于哪些因素?

作者:文/虞子期

在宇宙的数十亿个星系中,都包含着许多巨大而发光的等离子球体,它们被称作恒星。而它们中大约80%的恒星都是多星系统成员,即两颗、或多颗恒星所组成的系统,其中最常见的多星系统,便是由两颗恒星组成的二元星系。比如,当我们抬头望向头顶这片天空时所看到的单个光点,其中大约有五分之四的部分,都是由多颗恒星一起旋转而散发出的光芒。它们的存在不仅对恒星的分类有益,还可能对生命的发展走向带来影响,所以,我们才更需要了解这些特殊系统的分类和演化,比如,该系统中恒星的命运和哪些因素有关?

二元系统的分类和恒星命运有何关联

当气体云坍塌时,往往会分裂成两个或更多的云,然后分别形成恒星;或者,当一颗恒星与两个、甚至多个恒星近距离碰撞时,另一颗恒星被捕获。作为多星系统中最常见的二元系统,这样的双星在天文学领域发挥了特别重要的作用。在许多这样的二进制系统中,恒星的演化都是独立进行的,但却在彼此引力的相互作用下围绕着共同的质心轨道运行,它们就像是两个远离的朋友,偶尔会通过电子邮件或电话的方式保持联系。科学家们用宽双星来分类这样的二元星系,它们具有彼此分离的轨道,所以能对同伴产生的影响很小。并且,这些恒星的高层大气还能产生X射线,虽然它并不如其他X射线双星那样引人注目,但“宽二进制”却拥有举足轻重的地位,因为科学家们通过对其轨道的大小和周期观察,在应用了引力理论之后,得到了一种测量恒星质量的最佳方式。

还有一些多星系统,被称为近似二进制的二元系统,由于两个恒星之间的距离非常接近,因此,它们可以在相互转移物质的同时,改变恒星原本的外观,甚至是演化方式,就好比我们生活中特别亲密的朋友和家人,他们的行为总是会对我们的生活带来重要影响。比如,当一个二元星系中存在着两个大质量的恒星A和B,由于其中A恒星的质量相对更大,那么A也会更早成为红巨星。但是,随着它的尺寸越来越大,恒星A的大部分质量都会被倾倒在恒星B上,这两颗恒星的外观便也因此而发生了变化。恒星A很快就在核燃料耗尽之后爆炸,于是形成了一颗超新星,留下了一颗中子星、又或者是黑洞。而当再晚些时候,恒星B也演化成为了红巨星,其流入黑洞或中子星的物质便会产生异常强烈的X射线源。

恒星B的命运并不是自己就可以完全决定,而是取决于两颗恒星的质量和轨道细节:它可以螺旋成A,形成了一个更大的黑洞;它也可能会发生爆炸,形成的超新星破坏了二元星系。当恒星A和恒星B的质量和太阳质量大致相同的时候,它们的最终形态会是白矮星,而不是之前所提到的黑洞或中子星。即使恒星A将物质都倾倒在了恒星B上,但仍然能够产生强大的X射线源,在极少数的情况下,它甚至还会向白矮星转移更多物质。当然,二元星系也可以根据其观察方式进行分类,它们分别为可视双星(分离得足够宽)和食双星(导致日食)。并且,被称为双星的恒星并不一定在现实中彼此靠近,也可能是天空中那些在视觉上紧密相连的两颗恒星。

从视觉双星的发现到二元星系的演化

当恒星绕着银河系行进,巨大恒星捕捉到一颗普通恒星,形成了一个新的二元星系,这样的事件是非常罕见的。而更常见的二元星系,应该是由气体和尘埃的探索而形成的两颗或多颗恒星,这些恒星虽然不一定具有很多相同点,但却会一起经历一系列演变。科学家们探测到的第一个双星是视觉双星,于1617年被科学家伽利略·伽利莱发现,而“二元”这个术语则是在1802年开始用来指代这些双星。当这对恒星相互拉扯的时候,科学家们可以从中获取恒星的半径、温度,以及计算一些重要尺寸,它们对表征宇宙中的单个主序星也起到了帮助作用。

与此同时,多个系统中的恒星会直接影响生活,比如,科学家们已经发现,有不少行星都围绕多颗恒星运行,而生命的进化都会受到这些恒星轨道的影响,它们需要的是一个相对更加稳定的系统。最初,这样的二元系统看起来总是令人生畏,因为这些远离行星的恒星会改变它们所接收到的光和热,比如,宽双星系统可能会产生生命最终的发展条件。纵然二元系统中一定也存在着可居住区域,其行星表面可能有液态水的存在,但生命却很可能没有好的立足点。比如,Kepler-47c,围绕两颗恒星旋转使得外围呈现出椭圆形,甚至有时还会把行星带出该区域。这样的系统还存在许多不稳定性和辐射,我们很难设想复杂的生命可以随着它需要的规律而进行演变,这样的星球往往不具有足够稳定的太空天气,以防止热浪和辐射对周围行星生命机会的干预。