星空神秘奇幻，不僅因為它浩瀚無窮，更因為宇宙中的星系、恒星都以磅礴的生命力演繹著他們精彩的一生，從誕生、成長到最后的衰亡，有新陳代謝，有樣貌秉性。其中有些恒星因為某些特征成為了宇宙舞池里奇特又罕見的“明星”。

近日，由國家天文臺的張偉副研究員、吳宏研究員、施建榮研究員等人以及德國波茨坦大學(xué)的Helge Todt博士和澳門科技大學(xué)的夏志浩博士組成的研究團隊在郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一顆家住銀河系旋臂，正在“變換容顏”的十分罕見的沃爾夫-拉葉(Wolf-Rayet, WR)星。這是在LAMOST數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的第一顆沃爾夫-拉葉星。這到底是何種神秘莫測的恒星，居然還有“換顏術(shù)”？

圖1. 沃爾夫-拉葉星圖片（圖源：NASA）

什么是沃爾夫-拉葉星？

1867年，法國天文學(xué)家夏爾·沃爾夫（Charles Wolf）和若爾日·拉葉（Georges Rayet）在巴黎天文臺進行光譜分析工作時發(fā)現(xiàn)了一個令人費解的現(xiàn)象。他們用巴黎天文臺的40厘米反射望遠(yuǎn)鏡觀測銀河系天鵝座時,首次發(fā)現(xiàn)了3顆光譜異常的恒星。不同于其它恒星光譜中常見的狹窄暗線,這些恒星光譜呈現(xiàn)出寬而強的發(fā)射線。

大多數(shù)恒星的光譜所見都是因為化學(xué)元素吸收特定波長光線所形成的吸收線，光譜中有發(fā)射線的恒星相當(dāng)稀少，因此這3顆恒星被認(rèn)為是不尋常的天體，為了紀(jì)念這兩位發(fā)現(xiàn)者，這3顆恒星被命名為沃爾夫-拉葉星。簡稱WR星或W星。

圖2. 最早發(fā)現(xiàn)的3顆沃爾夫-拉葉星之一WR137的光譜（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

最著名且最容易看到的沃爾夫-拉葉星是天社一（船帆座γ2，+1.7等）的一顆成員星。該恒星在北緯40度以下地區(qū)肉眼可見。因為其光譜相當(dāng)特殊，因此又被稱為“南天的光譜寶石”。

圖3. 大質(zhì)量恒星示意圖（圖源：NASA）

天文學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)這些沃爾夫-拉葉星是大質(zhì)量恒星（大于25個太陽質(zhì)量）在演化晚期以每秒幾千公里的超高星風(fēng)將其外層氣殼（氫包層）拋出而裸露出的星核。也可以說它是大質(zhì)量恒星晚年之后的一種正常階段。

璀璨的譜線

識別沃爾夫-拉葉星的最主要途徑就是璀璨的光譜了，其光譜以明線為主，具有很強很寬的發(fā)射線，憑借著“光譜之鉆”的美譽，鄰近星系里的沃爾夫-拉葉星都能夠被天文學(xué)家確認(rèn)出來。

按照光譜特征，天文學(xué)家一般將沃爾夫-拉葉星分為三類:常見的WN型、WC型和WO型。除此之外，還有一種處于WN型到WC型過渡階段的特殊類型——也就是我們提到的正在“變換光譜容顏”的沃爾夫-拉葉星。

WN型沃爾夫-拉葉星的發(fā)射光譜中有寬而強的氦和氮譜線。

WC型沃爾夫-拉葉星的發(fā)射光譜中有寬而強的氦、碳和氧譜線。

WO型和WC型的譜線類似，只是氧線更強一些。處于WN型到WC型過渡階段的沃爾夫-拉葉星則是極其罕見的。

拼實力的一生

沃爾夫-拉葉星的溫度異常熾熱，與O和B型星 (見恒星光譜分類)相近，性格十分活躍。正是由于其熾熱的身軀和高光度的特性，沃爾夫-拉葉星處于赫羅圖極端左上角的位置。

圖4. 赫羅圖。沃爾夫-拉葉星位于超出圖中范圍的極端左上位置（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

沃爾夫-拉葉星個頭一般，但體重驚人。它們的質(zhì)量大多超過太陽質(zhì)量的10倍，絕對星等亮于-3等。沃爾夫-拉葉星在恒星家族完全是可圈可點的存在，不僅在恒星質(zhì)量和光度排行榜上名列前茅，在恒星表面溫度排行榜上也是首屈一指。

舉個例子，來感受一下沃爾夫-拉葉星的實力。

WR102就是一顆位于人馬座的WO型沃爾夫-拉葉星，它的表面溫度達(dá)到210000K，是的沒錯,6位數(shù)的表面溫度實在是大的驚人！這讓普通恒星望塵莫及，成為了目前已知恒星中表面溫度最高的恒星。這顆星的質(zhì)量約為17個太陽質(zhì)量。而直徑卻只有太陽的0.52倍！充分體現(xiàn)了什么叫做“濃縮的就是精華”。

位于大麥哲倫星系蜘蛛星云中如雷貫耳的R136a1，就是一顆光譜型為WN型的沃爾夫-拉葉星。2010年，英國天文學(xué)家利用歐洲南方天文臺的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和來自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）的數(shù)據(jù)首次發(fā)現(xiàn)了它，成為當(dāng)時公認(rèn)的質(zhì)量最大且亮度最強的單星。即使R136a1正在經(jīng)受極端的質(zhì)量損失，但目前質(zhì)量仍高達(dá)太陽的215倍，同時也是目前已知恒星中最亮的天體，光度是太陽光度的600多萬倍。不過，它的直徑為太陽的39倍左右，并非宇宙中體積最大的恒星。

圖5. 從左到右：紅矮星、類太陽恒星、藍(lán)矮星和R136a1的比較圖（圖源：ESO/M.Kornmesser）

沃爾夫-拉葉星具有極其強烈的星風(fēng)，速度可達(dá)每秒幾千公里，在幾十萬年內(nèi)將大部分物質(zhì)拋射回星際中，并最終會以超新星爆發(fā)而壯麗地終結(jié)自己的生命。激情四溢且瘦身不止、生命短暫而轟轟烈烈正是沃爾夫-拉葉星一生的生動寫照。

為何如此罕見？

沃爾夫-拉葉星因大量物質(zhì)的不斷損失，其壽命約為10萬至100萬年，相比于宇宙時標(biāo)，它們的壽命相當(dāng)短暫，因此數(shù)目非常稀少。理論估計銀河系中大約有1200顆沃爾夫-拉葉星，但到目前為止，人們只發(fā)現(xiàn)了600余顆。也就是說仍有一半的沃爾夫-拉葉星隱藏在我們的銀河系中，有待發(fā)現(xiàn)。

這類星處于過渡階段的時間跨度僅為萬年的量級，這在浩瀚宇宙的舞臺上是極其短暫的過程。因此觀測到過渡型沃爾夫-拉葉星的難度非常大，概率非常低，用罕見來描述，一點都不過分。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的處于過渡階段的沃爾夫-拉葉星僅有20顆左右，其中銀河系內(nèi)的只有10顆左右，相較于銀河系里的千億顆恒星實屬稀奇。

圖6. LAMOST發(fā)現(xiàn)的這顆沃爾夫-拉葉星的光譜圖（圖源：張偉繪制）

揭秘這顆罕見的星

目前的恒星演化理論認(rèn)為，WC型沃爾夫-拉葉星是由WN型演化而來，而在演化的過程中沃爾夫-拉葉星會同時具有WN和WC型的光譜特征。雖然這個蛻變過程僅占用了沃爾夫-拉葉星整個生命時長的2%，但仍為我們捕捉這類天體提供了寶貴的時間窗口。兩種光譜型的轉(zhuǎn)換過程就如同沃爾夫-拉葉星精彩的“換顏”時刻。茫茫星海中，能與這類少之又少的、而且正在“換顏”的沃爾夫-拉葉星撞個正著，真是千載難逢、機緣巧合。然而緣分的背后，是靠實力說話的。

LAMOST，作為我國自主研制的目前世界上光譜獲取率最高的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，巡天九年來，獲取了千萬量級的光譜數(shù)據(jù)。這樣史無前例的大樣本，助力天文學(xué)家實現(xiàn)了眾里尋“它”千百度，驀然回首，那星卻在眼前天區(qū)處的奇跡偶遇。

圖7. LAMOST望遠(yuǎn)鏡（圖源：陳穎為）

結(jié)合Gaia數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)這顆正處于過渡階段的沃爾夫-拉葉星，家住銀河系旋臂，距離銀心1.2萬光年，距離地球2.3萬光年（見圖8）。根據(jù)它的位置，研究人員將其編號為WR121-16。

圖8. 標(biāo)注紅色五星處為該沃爾夫-拉葉星在銀河系中的位置，黃色圓點為太陽所在位置（圖源：張偉繪制，背景圖片來自NASA）

據(jù)估算，這顆沃爾夫-拉葉星的質(zhì)量約為7.1個太陽質(zhì)量，其碳含量是銀河系內(nèi)WN型沃爾夫-拉葉星典型碳豐度的20倍左右。研究者還發(fā)現(xiàn)這顆特殊星的氮線和氦線強度挑戰(zhàn)了當(dāng)前的理論模型。真是一顆有故事的沃爾夫-拉葉星。

這顆沃爾夫-拉葉星的發(fā)現(xiàn)為這類奇特又罕見的恒星家族增添了新成員，也證實了LAMOST在搜尋稀有天體方面的絕對優(yōu)勢。

到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的處于過渡階段的沃爾夫-拉葉星僅有20顆左右。這類有趣的恒星對于研究大質(zhì)量恒星的演化過程，以及寄主星系的化學(xué)演化具有重要作用。LAMOST-Gaia的強強聯(lián)合，開啟了天文學(xué)恒星演化研究的黃金時代，讓我們期待更多像這樣既有趣又有意義的發(fā)現(xiàn)不斷推動天文學(xué)理論的發(fā)展。

作者簡介：張偉，國家天文臺副研究員，主要研究方向為星系形成與演化、恒星物理參數(shù)測量，目前致力于LAMOST中分辨率星云巡天(LAMOST-MRS-N)中的HII區(qū)研究。李雙：中國科學(xué)院國家天文臺工程師，LAMOST運行和發(fā)展中心宣傳主管。