最热星的冷知识：温度3万度以上 几万个太阳光度|恒星|太阳

　　来源：中国科学院国家天文台 

　　通常，正常的恒星按其光谱特征被分为O、B、A、F、G、K、M型。这个分类序列也代表着一个温度序列，其中O型星温度最高，而M型星温度最低。随着观测技术的发展，最近人们发现了更冷的L和T型星，甚至还有最冷的Y型星。

　　大多数人对恒星的认识，几乎都来自于常见的F、G、K型星，但作为最早的O型星，其质量一般要超过16个太阳质量，温度在3万度以上，光度至少是几万个太阳光度，与我们常见的F、G、K型星相比，O型星有自己独特的性质。

不同光谱类型星大小和颜色对比　（图源： Wikimedia Commons）

　　Part.1　矮星阶段

　　O型星光度的划分标准，与我们常见的F、G、K星的划分标准有本质的不同：O型星的光度是根据星风强弱，而常见的F、G、K星是根据核心区是否有氢燃烧。当F、G、K星的能量来自于中心的氢燃烧，我们就说它们是矮星，否则就不是矮星。但对于O型星来说，中心氢仍然在燃烧时，其表面星风有可能已经非常大了，一些受星风影响的线（如He II4686）已经出现了很强的发射，从而被划为O型超巨星，但从常见的冷星光度划分标准看，此时它应该是矮星。

　　虽然O型星的质量一般要超过16个太阳质量，温度在3万度以上，但它的可见光波段的颜色几乎和一颗质量为2个太阳质量，温度为1万多度A型星相差不大。这是因为O型星的辐射主要是在紫外波段，温度的增加不会明显影响可见光波段的颜色。

　　O型星的寿命非常短，一个120个太阳质量的O型星，寿命仅为300万年，而质量最小的O型星，寿命也只有1300万年，这就导致了这些O型星往往终其一生也无法离开它们的出生星云。由于它们深埋在星云深处，有厚厚的尘埃遮挡，所以有很大的消光和红化，从而变得非常昏暗且颜色很红，看起来与常见的F、G、K型冷星类似，从而仅仅通过测光颜色无法把O型星从众多的银盘场星中分辨出来（见图2）。

　M42猎户星云内部的大质量恒星照亮了周围星云  （图源：见图片）

　　我们很难发现婴儿时期的主序O型星。因为这些刚出生的O型星往往都深埋在尘埃气体中，不容易被发现。当它们能产生足够强的星风把周围物质吹散，进而被我们观测到时，它们有可能已经离开零龄主序很久了。但是我们确实看到了一些星风非常小的O型星，从而把这些星风小的O型星看做最接近零龄主序的星。

　　由于O型星的温度非常高，甚至矮星的大气模型不能用描述F、G、K型冷星大气的局部热动平衡方程来刻画，而只能用非局部热动平衡方程来刻画。我们常用的基于局部热动平衡的Kurucz模型，即使在50000度时也无法产生O型星的He II 线。而现在比较流行的几个描述热星大气的非局部热动平衡模型，都能很好的产生O型星中的He II线。

　　O型星光谱即使是在矮星阶段短时间内往往也会发生变化。这种变化往往是由于双星或多星引起的。因为大质量恒星往往处在双星系统甚至是多星系统中，超过70%的大质量恒星处于密近双星系统，随着演化都会与其伴星产生物质交流。而这种密近双星很难在测光上分开。因此我们看到的O型星光谱其实是两颗或多颗星的混合光谱。图三展示了两次观测的HD 46966光谱之间的变化。另外很多O型星受星风的影响，光谱也会发生变化，但至今也不是很清楚星风为何发生变化。

　　我们也很难从其光谱类型中直接推导出O型星的质量。对于常见的冷星来说，如果知道其光谱型，其质量和演化状态基本上就能定下来。但对于O型星来说，光谱类型只能对应着一个很大的质量范围。如根据Geneva给出的演化曲线，一颗O4 V的星对应的质量范围大概为35-85个太阳质量。

HD 46966在两次观测时，光谱中He和H线的变化  （图源：李广伟）

　　Part.2　　主序后演化

　　O型星在主序阶段光度能变化约0.2-0.4dex，但过了主序之后，光度变化幅度非常小。也就是说，一颗处于演化晚期的O型星，其光度与主序光度相差不大。因此一个O型星的光度几乎主要由其初始质量决定，而与其所处的演化阶段关系不大（见图4）。

大质量恒星的Geneva演化轨迹 （图源：Ekstrom et al。 2012）

　　一颗小于25个太阳质量的O型星，可以演化到红超巨星（RSG）。但是由于金属丰度越大星风越强，越容易把外包层吹掉，所以金属丰度越低，外包层越容易保留，进而越容易演化到红超巨星阶段。

　　超过60个太阳质量的O型星，可以直接演化到Wolf–Rayet（WR）星。但是金属丰度越高，星风越强，越容易把恒星的外包层吹掉，依次把N、C和O裸露出来，形成WN、WC和WO型Wolf–Rayet星。从而金属丰度越高，质量小的O型星越容易形成Wolf–Rayet星。

　　Part.3　影响O型星演化的其他因素

　　自转对大质量恒星演化很重要。因为高速自转会导致大质量恒星内部的物质混合，进而把外面新鲜的核燃料氢带入进核心区域，从而改变了恒星的演化轨迹，同时也延长了恒星的寿命。特别地，在低金属丰度情况下，大质量恒星可以直接往更蓝更热的方向演化。图5左图是一个质量为15个太阳，自转速度为300km/s的大质量恒星内部子午环流情况；而右图是大麦哲伦云中的大质量恒星在不同自转速度下的演化轨迹。

　　大质量恒星在金属丰度极低的情况下，由于星风很弱，可以形成超大质量的恒星，其质量甚至达到1000个太阳质量。

左图来自Maeder &amp； Meynet 2012；右图来自N。 Langer 2012

　　Part.4　O型星死亡及其产物

　　O型星死亡时会成为核塌缩超新星。我们可以通过确定这些超新星爆炸前究竟是WR、LBV、RSG甚至YSG，来了解和约束大质量恒星的演化模型和超新星爆炸机制......

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