ESO解决磁星形成之谜？

磁星是超新星爆发后奇异而超级稠密的残骸（中子星）。它们拥有宇宙中已知最强的磁场——比地球磁场强百万倍量级。借助位于智利北部的欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），一个欧洲天文学家团队相信他们首次发现了一颗磁星的伴星。他们的发现有助于解释磁星是如何形成的——这个谜已经延续35年，以及说明这类特殊恒星为何没有如天文学家预期的那样坍缩为黑洞。

磁星的想象图。版权：ESO，研究者团队，下同。

当一颗大质量恒星在最后的超新星爆发阶段，因自身引力而坍缩时，它要么形成中子星，要么形成黑洞。磁星是一类非常罕见而奇特的中子星。与所有的同类残骸一样，它极为致密而微小——十亿吨的中子星物质只有一茶匙大小，但它还具有极为强大的磁场。当磁星壳层发生突然而剧烈的调整——星震时，表面会释放巨量的γ射线。

位于南天天坛座的Westerlund 1星团（注1），离我们约1.6万光年，其中就有一颗磁星——CXOU J164710.2-455216，天文学家对此感到极为迷惑。银河系中共有20余颗磁星。

报告首席作者西蒙·克拉克（Simon Clark）介绍说：“在我们的早期研究中已经发现，Westerlund 1星团中的磁星的前身星是一颗大约有40个太阳质量的超大质量恒星。但是这就出了一个难题——如此大质量的恒星理应坍缩为黑洞，而不是中子星。我们不知道它为何能变成一颗磁星？”

天文学家为此设计了一个解决方案。他们猜测，磁星起源于两颗超大质量的密近双星，其轨道紧密到小于地球到太阳的距离（这种系统在演化后期会发生质量转移，从而使得它不会变成黑洞，见下文，译注）。但迄今为止，我们未在Westerlund 1星团中找到磁星的伴星，所以天文学家使用ESO的VLT在星团的其余部分寻找同类案例。他们寻找逃逸星——以高速脱离星团的恒星，这类恒星很可能是因为伴星发生超新星爆发而脱离，而那颗超新星的残骸就可能是磁星。结果，Westerlund 1-5就是一例（注2）。

星团中，Wd1-5（上方）和磁星（左下）的位置，大图：3.1MB。

报告合作者、开放大学的Ben Ritchie强调道：“ 这颗恒星不仅具有很高的逃逸速度表明它很可能来自超新星爆发事件，还因为它的低质量、高光度、已经富含碳等等，表明它不可能起源于单一恒星——就像冒烟的枪口表明刚开过枪一样，它必定起源于双星系统！”

这一发现使得天文学家能够重建恒星的演化史，在预期形成黑洞质量区域，产生磁星（注3）。在演化的第一阶段，双星系统中较大质量的子星先耗尽核心燃料，把庞大的外层质量转移给伴星——自身将变成磁星，并因星体缩小而旋转得越来越快。高速旋转是形成磁星超强磁场的必需条件。

在演化第二阶段，伴星因为接收了过于巨量的气体，消化不良而开始抛出大量的物质。大部分质量将散逸到太空中，但少部分将返回给原先的子星； Westerlund 1-5就是这样。

团队成员、西班牙天体生物学中心的Francisco Najarro总结说：“正是这种双星间的物质交换给予Westerlund 1-5独特的（光谱）化学特征，并让其伴星的质量低到能够形成磁星而不是黑洞——带有宇宙影响力的恒星间的击鼓传花游戏。”

Wd1-5的光谱与星团中一对双星1-13、1-44的对比。最明显的是H-α线，其次是He、N、C发射线，数字以罗马字母表示。

看起来，要形成磁星的必要条件就是成为双星系统的成员。双星间的物质转移产生高速旋转，这是产生超强磁场的基本条件。在第二个质量转移阶段，磁星能够把质量降到足够低，以致于在最后的坍缩阶段不会变成黑洞。

J. S. Clark团队的研究报告已经在ESO通讯稿中公布，很快就会发表在《天文学和天体物理学》期刊上，标题：“VLT的FLAMES光谱仪对Westerlund 1星团巡天成果之四：Wd1-5应该是双星一员，并曾经是超新星爆发前的磁星CXOU J1647-45的伴星。”该团队先前在2006年，以M. P. Muno为首的研究报告，刊登在《天体物理学》第636期上，标题：“Westerlund 1星团中一颗前身星是超大质量恒星的中子星。”（就是本文中的磁星，译注）

附注
1、Westerlund 1是一个巨型疏散星团，由瑞典天文学家Bengt Westerlund 于1961年在澳大利亚发现。1970-1974，他从澳洲移居智利并出任欧洲南方天文台（ESO）台长。这个星团位于巨大的银河系尘埃气体云后方，遮光系数超过了10万（星团光度降低了12个星等以上），因此在可见光波段几乎完全看不见。这也是为何到了现代才看到它真面目的原因（现在是通过红外波段，译注）。

该星团所在区域的光学图像，只能看见尘埃云和前景的银河系繁星，版权：ESO，DSS2；巨图：128MB。
 

Westerlund 1是研究恒星特殊阶段的独特的天然实验室，帮助天文学家了解银河系中的超大质量恒星是如何出生入死的。通过这些观测，天文学家推断这个特别的星团，总质量不小于10万个太阳，所有的恒星成员聚集在6光年直径的空间中。因此它成为银河系中最致密的大质量年轻星团。

迄今的分析表明，Westerlund 1星团中所有的成员星，最初至少是30~40个太阳质量。天文学家介绍说，因为这类恒星的寿命极短，所以该星团必定极为年轻。分析表明，星团年龄介于350万年到500万年之间。显然，它是银河系中刚刚诞生的星团。

2、该恒星的完整编号是Cl* Westerlund 1 W 5（别管编号是什么意义，那是天文学家的事，译注）。

3、随着恒星演化，它们内部的核聚变改变着整个恒星的化学成份——轻核元素逐步消耗，重核元素逐渐增加。最初的恒星由氢和氦构成，碳以及其他重元素含量极少；只有到恒星演化的晚期（主序星阶段结束后，译注），核心的氢已经耗竭，恒星通过氦聚变为碳，此时碳的含量才会明显增加。因此，像Westerlund 1- 5这样同时富含碳氢氦的恒星，几乎是不可能的。

共同演化的示意图。
 

译者补充：原文中对第2个阶段的解说不够详细，这里继续说明一下：在发生质量转移后，而伴星因为接受了过多的质量，处于爱丁顿极限的高光度蓝变星（LBV）阶段，快速抛出最外层。结果，双方处于共同大气层的演化阶段。原先的大质量子星只剩下内核区域，进入WR星阶段，以高速恒星风，把重元素传输给伴星；随着WR星变成超新星（这个演化通常比LBV更快），双星系统瓦解，伴星中就会有大量的重元素。