太阳作为距离地球最近的恒星,其巨大的体积足以容纳130万个地球,而地球上居住着超过70亿的人口。这一惊人的对比揭示了太阳的庞大尺寸,远远超出了我们日常的想象。
然而,在浩瀚的宇宙中,太阳与其他众多恒星和天体相比,其实微不足道。尽管如此,太阳并非质量最小的恒星(红矮星拥有这一称号),但它也绝非体积最大的恒星。那么,恒星究竟可以达到何种规模呢?
简明扼要的回答是:恒星的质量上限大约为300倍太阳质量(M表示太阳质量),而目前天文学家观测到的最大恒星是R136a1,其质量为265倍太阳质量,体积更是太阳的27,000倍。
恒星的形成过程中,两种关键力量相互作用——旋转气体云(最终形成原恒星)的引力吸引和向外的电磁辐射压力。长期以来,科学家认为恒星的质量不会超过20倍太阳质量,因为在此之前的阶段,向外的辐射压力会导致气体云爆炸或分散,从而切断恒星增长所需的物质。然而,天文学家却观测到了质量高达120倍太阳的恒星,这一发现让科学家们感到困惑。不过,还有另一种解释。
通过对其他恒星的计算机模拟和观测,科学家发现,恒星表面的辐射压力和引力并非均匀分布。换句话说,某些区域会吸引气体云使恒星增长,而其他区域则充当释放电磁辐射的泄气阀。实际上,即使是低质量恒星采用的吸积过程,也能够促进大质量恒星的形成。在某些情况下,较小的恒星会在大质量恒星附近形成,然后与大质量恒星碰撞,从而加速其生长过程。
现在我们已经了解了恒星的质量范围,接下来再探讨恒星的尺寸。
如前所述,我们以太阳作为基准。虽然存在褐矮星和红矮星等小型恒星,但我们对大型恒星的兴趣更为浓厚!太阳的半径为695,700公里,总体积为1.4×10^27立方米。
宇宙中的大多数恒星都是主序星,这意味着它们已经达到了辐射压力和引力之间的平衡状态。主序星的质量下限约为太阳质量的0.08倍,上限可达太阳质量的100倍。
主序星通常能够维持稳定状态长达约50亿年,而它们越大,温度越高,亮度也越强。在此期间,主序星将氢聚变成氦,并释放出巨大的能量。太阳位于主序星的中间位置,既有比它更大的恒星,也有比它更小的恒星。主序星包括黄矮星、蓝矮星和红矮星。
许多著名的恒星都属于主序星,如织女星、天狼星、比邻星和参宿五。
当恒星离开主序星阶段后,会演变成红巨星、黄巨星和橙巨星。一旦氢到氦的聚变过程停止,恒星核心周围的氢壳被点燃,尺寸迅速膨胀,通常达到其主序星阶段大小的100倍。这一时期可以持续大约1亿年,最终通常会坍缩成白矮星。尽管此后恒星不再进行聚变反应,但它们需要数百亿年的时间才能冷却至宇宙的背景温度(约2.7K)。大角星、毕宿五和北河三是我们熟悉的巨星。
此外,还有超巨星,其质量是太阳的数十倍,但由于其巨大的尺寸,它们消耗燃料的速度非常快,因此寿命很短。根据温度不同,超巨星分为蓝超巨星、红超巨星、白超巨星和黄超巨星。蓝超巨星的质量约为太阳的20倍,而黄超巨星的质量可能小于太阳,但亮度远超太阳。其中一些最著名的超巨星有:参宿七(蓝超巨星)、心宿二和参宿四(红超巨星)。当这些超巨星走到生命尽头时,它们会爆发成超新星,并可能形成黑洞。
特超巨星是恒星宇宙中的王者,尽管理论上它们不应该存在,但近年来天文学家发现了这些巨型恒星,令他们兴奋不已。然而,与超巨星一样,特超巨星的寿命也非常短暂。最小的红矮星理论上可以燃烧万亿年,相比之下,特超巨星的寿命仅有几百万年——在天文学中,这只是一瞬间。
特超巨星具有惊人的亮度(比太阳亮400万倍)和庞大的质量(130M-315M),并且是目前发现体积最大的恒星。天文学家认为没有比特超巨星更大的恒星,因为它们似乎已经超越了物理极限。最著名的特超巨星有:手枪星(蓝特超巨星)和大犬座VY(红特超巨星,先前发现的最大恒星)。
最后,我们来看一下迄今发现的体积最大的特超巨星。
R136a1位于大麦哲伦云的蜘蛛星云,这颗巨型恒星已经燃烧了约170万年,并且由于恒星风导致其质量大幅损失。虽然目前这颗巨型恒星的质量约为265倍太阳质量,但根据其演化历史,R136a1曾经的质量高达315M至325M。