丢掉“外套”也精彩的沃尔夫-拉叶星

星空神秘奇幻，不仅因为它浩瀚无穷，更因为宇宙中的星系、恒星都以磅礴的生命力演绎着他们精彩的一生，从诞生、成长到最后的衰亡，有新陈代谢，有样貌秉性。其中有些恒星因为某些特征成为了宇宙舞池里奇特又罕见的“明星”。

近日，由国家天文台的张伟副研究员、吴宏研究员、施建荣研究员等人以及德国波茨坦大学的Helge Todt博士和澳门科技大学的夏志浩博士组成的研究团队在郭守敬望远镜（LAMOST）数据中发现了一颗家住银河系旋臂，正在“变换容颜”的十分罕见的沃尔夫-拉叶(Wolf-Rayet, WR)星。这是在LAMOST数据中发现的第一颗沃尔夫-拉叶星。这到底是何种神秘莫测的恒星，居然还有“换颜术”？

图1. 沃尔夫-拉叶星图片（图源：NASA）

什么是沃尔夫-拉叶星？

1867年，法国天文学家夏尔·沃尔夫（Charles Wolf）和若尔日·拉叶（Georges Rayet）在巴黎天文台进行光谱分析工作时发现了一个令人费解的现象。他们用巴黎天文台的40厘米反射望远镜观测银河系天鹅座时,首次发现了3颗光谱异常的恒星。不同于其它恒星光谱中常见的狭窄暗线,这些恒星光谱呈现出宽而强的发射线。

大多数恒星的光谱所见都是因为化学元素吸收特定波长光线所形成的吸收线，光谱中有发射线的恒星相当稀少，因此这3颗恒星被认为是不寻常的天体，为了纪念这两位发现者，这3颗恒星被命名为沃尔夫-拉叶星。简称WR星或W星。

图2. 最早发现的3颗沃尔夫-拉叶星之一WR137的光谱（图源：网络）

最著名且最容易看到的沃尔夫-拉叶星是天社一（船帆座γ2，+1.7等）的一颗成员星。该恒星在北纬40度以下地区肉眼可见。因为其光谱相当特殊，因此又被称为“南天的光谱宝石”。

图3. 大质量恒星示意图（图源：NASA）

天文学家研究发现这些沃尔夫-拉叶星是大质量恒星（大于25个太阳质量）在演化晚期以每秒几千公里的超高星风将其外层气壳（氢包层）抛出而裸露出的星核。也可以说它是大质量恒星晚年之后的一种正常阶段。

璀璨的谱线

识别沃尔夫-拉叶星的最主要途径就是璀璨的光谱了，其光谱以明线为主，具有很强很宽的发射线，凭借着“光谱之钻”的美誉，邻近星系里的沃尔夫-拉叶星都能够被天文学家确认出来。

按照光谱特征，天文学家一般将沃尔夫-拉叶星分为三类:常见的WN型、WC型和WO型。除此之外，还有一种处于WN型到WC型过渡阶段的特殊类型——也就是我们提到的正在“变换光谱容颜”的沃尔夫-拉叶星。

WN型沃尔夫-拉叶星的发射光谱中有宽而强的氦和氮谱线。

WC型沃尔夫-拉叶星的发射光谱中有宽而强的氦、碳和氧谱线。

WO型和WC型的谱线类似，只是氧线更强一些。处于WN型到WC型过渡阶段的沃尔夫-拉叶星则是极其罕见的。

拼实力的一生

沃尔夫-拉叶星的温度异常炽热，与O和B型星 (见恒星光谱分类)相近，性格十分活跃。正是由于其炽热的身躯和高光度的特性，沃尔夫-拉叶星处于赫罗图极端左上角的位置。

图4. 赫罗图。沃尔夫-拉叶星位于超出图中范围的极端左上位置（图源：网络）

沃尔夫-拉叶星个头一般，但体重惊人。它们的质量大多超过太阳质量的10倍，绝对星等亮于-3等。沃尔夫-拉叶星在恒星家族完全是可圈可点的存在，不仅在恒星质量和光度排行榜上名列前茅，在恒星表面温度排行榜上也是首屈一指。

举个例子，来感受一下沃尔夫-拉叶星的实力。

WR102就是一颗位于人马座的WO型沃尔夫-拉叶星，它的表面温度达到210000K，是的没错,6位数的表面温度实在是大的惊人！这让普通恒星望尘莫及，成为了目前已知恒星中表面温度最高的恒星。这颗星的质量约为17个太阳质量。而直径却只有太阳的0.52倍！充分体现了什么叫做“浓缩的就是精华”。

位于大麦哲伦星系蜘蛛星云中如雷贯耳的R136a1，就是一颗光谱型为WN型的沃尔夫-拉叶星。2010年，英国天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）和来自哈勃空间望远镜（HST）的数据首次发现了它，成为当时公认的质量最大且亮度最强的单星。即使R136a1正在经受极端的质量损失，但目前质量仍高达太阳的215倍，同时也是目前已知恒星中最亮的天体，光度是太阳光度的600多万倍。不过，它的直径为太阳的39倍左右，并非宇宙中体积最大的恒星。

图5. 从左到右：红矮星、类太阳恒星、蓝矮星和R136a1的比较图（图源：ESO/M.Kornmesser）

沃尔夫-拉叶星具有极其强烈的星风，速度可达每秒几千公里，在几十万年内将大部分物质抛射回星际中，并最终会以超新星爆发而壮丽地终结自己的生命。激情四溢且瘦身不止、生命短暂而轰轰烈烈正是沃尔夫-拉叶星一生的生动写照。

为何如此罕见？

沃尔夫-拉叶星因大量物质的不断损失，其寿命约为10万至100万年，相比于宇宙时标，它们的寿命相当短暂，因此数目非常稀少。理论估计银河系中大约有1200颗沃尔夫-拉叶星，但到目前为止，人们只发现了600余颗。也就是说仍有一半的沃尔夫-拉叶星隐藏在我们的银河系中，有待发现。

这类星处于过渡阶段的时间跨度仅为万年的量级，这在浩瀚宇宙的舞台上是极其短暂的过程。因此观测到过渡型沃尔夫-拉叶星的难度非常大，概率非常低，用罕见来描述，一点都不过分。到目前为止，已发现的处于过渡阶段的沃尔夫-拉叶星仅有20颗左右，其中银河系内的只有10颗左右，相较于银河系里的千亿颗恒星实属稀奇。

图6. LAMOST发现的这颗沃尔夫-拉叶星的光谱图（图源：张伟绘制）

揭秘这颗罕见的星

目前的恒星演化理论认为，WC型沃尔夫-拉叶星是由WN型演化而来，而在演化的过程中沃尔夫-拉叶星会同时具有WN和WC型的光谱特征。虽然这个蜕变过程仅占用了沃尔夫-拉叶星整个生命时长的2%，但仍为我们捕捉这类天体提供了宝贵的时间窗口。两种光谱型的转换过程就如同沃尔夫-拉叶星精彩的“换颜”时刻。茫茫星海中，能与这类少之又少的、而且正在“换颜”的沃尔夫-拉叶星撞个正着，真是千载难逢、机缘巧合。然而缘分的背后，是靠实力说话的。

LAMOST，作为我国自主研制的目前世界上光谱获取率最高的光学望远镜，巡天九年来，获取了千万量级的光谱数据。这样史无前例的大样本，助力天文学家实现了众里寻“它”千百度，蓦然回首，那星却在眼前天区处的奇迹偶遇。

图7. LAMOST望远镜（图源：陈颖为）

结合Gaia数据，研究者发现这颗正处于过渡阶段的沃尔夫-拉叶星，家住银河系旋臂，距离银心1.2万光年，距离地球2.3万光年（见图8）。根据它的位置，研究人员将其编号为WR121-16。

图8. 标注红色五星处为该沃尔夫-拉叶星在银河系中的位置，黄色圆点为太阳所在位置（图源：张伟绘制，背景图片来自NASA）

据估算，这颗沃尔夫-拉叶星的质量约为7.1个太阳质量，其碳含量是银河系内WN型沃尔夫-拉叶星典型碳丰度的20倍左右。研究者还发现这颗特殊星的氮线和氦线强度挑战了当前的理论模型。真是一颗有故事的沃尔夫-拉叶星。

这颗沃尔夫-拉叶星的发现为这类奇特又罕见的恒星家族增添了新成员，也证实了LAMOST在搜寻稀有天体方面的绝对优势。

到目前为止，已发现的处于过渡阶段的沃尔夫-拉叶星仅有20颗左右。这类有趣的恒星对于研究大质量恒星的演化过程，以及寄主星系的化学演化具有重要作用。LAMOST-Gaia的强强联合，开启了天文学恒星演化研究的黄金时代，让我们期待更多像这样既有趣又有意义的发现不断推动天文学理论的发展。

作者简介：张伟，国家天文台副研究员，主要研究方向为星系形成与演化、恒星物理参数测量，目前致力于LAMOST中分辨率星云巡天(LAMOST-MRS-N)中的HII区研究。李双：中国科学院国家天文台工程师，LAMOST运行和发展中心宣传主管。