天文學家也八卦——你知道恆星的離婚率嗎？

牛郎星和織女星相隔天河、遙遙相對；相比它們而言，宇宙中許多恆星是非常幸福的，因為它們身旁就有自己的恆星伴侶存在。兩顆惺惺相惜、相互繞轉的恆星系統被稱為雙星系統。天文學家普遍認為，大約有一半的恆星是處於雙星系統中的。一個很自然的問題是：這些雙星系統是青梅竹馬，還是一見鍾情呢？換句話說，它們是從誕生就在一起的，還是後來相遇的情侶呢？這個問題還可以繼續八卦下去，有多少這樣的恆星伴侶白頭到老，又有多少勞燕分飛了呢？

這些看似狗血的問題，對於天文學家而言可都是舉足輕重的大問題。因為它們可不僅僅是這些小兩口的家務事，而是真真切切關係到宇宙演化的大事情。正所謂家事就是天下事呢！

雙星系統示意圖

為什麼這麼說？咱們來舉幾個例子。2017年諾貝爾物理學被引力波的發現者所獲得。至今為止，人類探測到的所有的引力波事件都是大質量的雙星系統死亡的時候搞出來的大事件！如果我們不清楚宇宙中有多少這樣的恆星家庭，我們就無法知道人類探測到的引力波事件的統計意義在哪裡。

正在輻射引力波的雙星系統

再比如2011年諾貝爾物理學獎頒發給了發現宇宙加速膨脹的兩個研究團隊。他們不約而同使用一類特殊的超新星——Ia型超新星——來研究宇宙的膨脹速度。而Ia型超新星正是由雙星系統（一般認為其中至少有一顆白矮星）併合產生的大爆炸！可是天文學家們從理論上還無法預測一個星系裡面到底能夠產生出多少這樣的超新星來。

Ia型超新星前身雙星想像圖

還有第三個例子。我們知道這二十多年以來天文學家已經發現了數千顆太陽系以外的行星，其中有一些非常適合生命的產生。那麼問題來了，為什麼有些恆星有伴侶恆星，有些是單身狗，而還有一些卻是行星伴侶呢？

所以，雖然雙星的研究在整個天文學領域大多非常低調，但在行內看來，這可是一個非常重要的研究問題，上可聯繫宇宙的存續，下可探究生命的起源，是不可不查的重要課題啊。

雙星的觀測研究是現代天文學中比較古老的課題了，自從有了天文望遠鏡，天文學家就已經注意到了有很多恆星成對兒出現的這一現象。然而雙星的理論研究還處於初級階段。理論家提出了兩種雙星形成的理論，一種認為恆星誕生於氣體雲核之中，雲核分裂形成雙星；另一種認為原恆星形成後圍繞在它周圍的氣體盤因動力學不穩定而分裂形成第二顆伴星。但是這兩種理論都缺少直接觀測證據的支持，還有很多理論細節仍然有待商榷。

理論模擬的雙星形成過程

此外，雙星誕生以後並不會一成不變，它們可能會合併形成一顆質量更大的恆星，也有可能相互交換質量而改變兩顆成員星的質量比，還有可能因為「第三者」的介入——第三顆恆星從旁邊經過而產生引力擾動——導致一對雙星分離開來，形同陌路。在恆星密集的環境中（例如星團內），兩顆單身恆星還有可能邂逅並一見鍾情，組成一個新的雙星家庭。

夜空中絕大多數恆星被稱為場星，即沒有凝聚成團的、分散在星系中的恆星。在這些最普通的恆星中上面列出的這些演化情形還鮮有觀測證實。

我們對50000多顆我國LAMOST光譜巡天項目觀測的主序星（處於成年時期的恆星）中的雙星開展了統計研究。我們驚訝地發現場星中的一些雙星已經在它們誕生的早期就分道揚鑣了，而另一些雙星則始終堅守在一起，直到今天。換句話說，場星中很多雙星沒有熬過「七年之癢」，就早早地「離婚」了。

場星中的主序星處於成年狀態，恆星的大小非常穩定，通常雙星中的伴星距離主星保持著安全距離，不會很快撞到一塊。場星中的恆星密度也非常低，在上百億年的時間裡一顆恆星也很難遇到另一顆恆星從身旁掠過。這就像身居在孤島上的一對伴侶，一輩子也沒見到過別人，當然也就不存在「第三者」了。所以按說，場星中的雙星一旦生成，在上百億年時間裡是很難發生「離婚」事件的。

但是，我們發現一些恆星質量較小的星族中雙星比例較低，雙星的間距較小，同時雙星中更多的出現兩顆成員星質量差不多大的情況。另一方面，恆星質量較大的星族中雙星比例比較高，成員之間的間距有大有小，兩顆成員星質量比的分布也比較均勻。如何解釋這一奇異的分化現象呢？

原來，所有的場星在誕生之初都是存在星團中的。也就是說恆星就像兔子一樣，都是「一窩一窩」形成的，小的星團有幾百顆恆星，大的星團可以有幾萬顆恆星。出於某種未知原因，絕大多數年輕的星團會在數百萬到數千萬年的時間裡瓦解掉，其中的成員星最終變成了相互距離很遠的場星。只有極少數星團存活到今天。

剛剛形成的年輕星團（ESO/G. Beccari）

這項新的研究推測很多「意志不夠堅強」的雙星就是在這短短的幾百萬年「社群」生活中被頻繁出現的「第三者」的引力拆散了。「第三者」恆星的擾動並不是每一次都會導致雙星的「離婚」，只有一些特定的雙星才容易被蠱惑。例如主星質量較小的雙星、兩顆成員星的質量相差比較大的雙星、以及相互距離比較遙遠的雙星。這些系統的共同特點是維繫雙星的引力束縛能較低，當然這樣的家庭也就更加脆弱。

儘管今天對場星的觀測已經無法直接看到這些雙星家庭破碎的悲劇，但是我們仍然能夠從堅守下來的雙星家庭中窺探到曾經發生過的劇烈演變所留下的深刻印記。由於引力擾動會破壞那些主星質量較小的雙星系統，今天我們在場星中就看到質量小的雙星比例明顯小於質量大的雙星。又因為雙星質量相差比較大的束縛能也比較低，所以雙星比例較低的小質量恆星星族中存留下來的雙星都是兩顆成員星質量比相差不大的。還有那些相距較遠的雙星系統也容易被瓦解，所以今天看到的小質量雙星中間距普遍較小。大自然殘酷地淘汰了很多束縛能較低的雙星，留到今天我們能看到的雙星系統就主要都是束縛能較高的那一類了。

這一發現使人們首次認識到今天看到的場星雙星已不是原初的狀態了，而是被殘酷的大自然篩選過的結果。這個信息對於研究雙星自身的演化和研究宇宙的演化都是至關重要的。

在人類社會中，堅定地抗過了初期的各種誘惑後，這樣的婚姻通常可以走得很遠，恆星世界看來也是如此的。

作者簡介

劉超，中國科學院國家天文台研究員。主要從事銀河系的結構與演化、星系動力學、星際消光、恆星物理等研究。

輪值主編：劉超（國家天文台研究員）

編輯：黃京一、蔡琳、柒柒

來源：中國科學院國家天文台

原文標題：天文學家是如何八卦恆星的離婚率的？

編輯：fengyao

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