通常,，正常的恒星按其光譜特征被分為O、B、A,、F,、G、K,、M型,。這個(gè)分類序列也代表著一個(gè)溫度序列，其中O型星溫度最高,，而M型星溫度最低,。隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，最近人們發(fā)現(xiàn)了更冷的L和T型星,，甚至還有最冷的Y型星,。

大多數(shù)人對(duì)恒星的認(rèn)識(shí)，幾乎都來(lái)自于常見的F,、G,、K型星，但作為最早的O型星,，其質(zhì)量一般要超過(guò)16個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,，溫度在3萬(wàn)度以上，光度至少是幾萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)光度,，與我們常見的F,、G、K型星相比,，O型星有自己獨(dú)特的性質(zhì),。

圖1. 不同光譜類型星大小和顏色對(duì)比（圖源: Wikimedia Commons）

矮星階段

O型星光度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，與我們常見的F,、G,、K星的劃分標(biāo)準(zhǔn)有本質(zhì)的不同：O型星的光度是根據(jù)星風(fēng)強(qiáng)弱,，而常見的F,、G、K星是根據(jù)核心區(qū)是否有氫燃燒,。當(dāng)F,、G、K星的能量來(lái)自于中心的氫燃燒,，我們就說(shuō)它們是矮星,，否則就不是矮星。但對(duì)于O型星來(lái)說(shuō),，中心氫仍然在燃燒時(shí),，其表面星風(fēng)有可能已經(jīng)非常大了，一些受星風(fēng)影響的線（如He II4686）已經(jīng)出現(xiàn)了很強(qiáng)的發(fā)射，從而被劃為O型超巨星,，但從常見的冷星光度劃分標(biāo)準(zhǔn)看,，此時(shí)它應(yīng)該是矮星。

雖然O型星的質(zhì)量一般要超過(guò)16個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,，溫度在3萬(wàn)度以上,，但它的可見光波段的顏色幾乎和一顆質(zhì)量為2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，溫度為1萬(wàn)多度A型星相差不大,。這是因?yàn)镺型星的輻射主要是在紫外波段,，溫度的增加不會(huì)明顯影響可見光波段的顏色。

O型星的壽命非常短,，一個(gè)120個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的O型星,，壽命僅為300萬(wàn)年，而質(zhì)量最小的O型星,，壽命也只有1300萬(wàn)年,，這就導(dǎo)致了這些O型星往往終其一生也無(wú)法離開它們的出生星云。由于它們深埋在星云深處,，有厚厚的塵埃遮擋,，所以有很大的消光和紅化，從而變得非?；璋登翌伾芗t,，看起來(lái)與常見的F、G,、K型冷星類似,，從而僅僅通過(guò)測(cè)光顏色無(wú)法把O型星從眾多的銀盤場(chǎng)星中分辨出來(lái)（見圖2）。

圖2. M42獵戶星云內(nèi)部的大質(zhì)量恒星照亮了周圍星云（圖源：見圖片）

我們很難發(fā)現(xiàn)嬰兒時(shí)期的主序O型星,。因?yàn)檫@些剛出生的O型星往往都深埋在塵埃氣體中,，不容易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)它們能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的星風(fēng)把周圍物質(zhì)吹散,，進(jìn)而被我們觀測(cè)到時(shí),，它們有可能已經(jīng)離開零齡主序很久了。但是我們確實(shí)看到了一些星風(fēng)非常小的O型星,，從而把這些星風(fēng)小的O型星看做最接近零齡主序的星,。

由于O型星的溫度非常高，甚至矮星的大氣模型不能用描述F,、G,、K型冷星大氣的局部熱動(dòng)平衡方程來(lái)刻畫，而只能用非局部熱動(dòng)平衡方程來(lái)刻畫,。我們常用的基于局部熱動(dòng)平衡的Kurucz模型,，即使在50000度時(shí)也無(wú)法產(chǎn)生O型星的He II 線。而現(xiàn)在比較流行的幾個(gè)描述熱星大氣的非局部熱動(dòng)平衡模型，都能很好的產(chǎn)生O型星中的He II線,。

O型星光譜即使是在矮星階段短時(shí)間內(nèi)往往也會(huì)發(fā)生變化,。這種變化往往是由于雙星或多星引起的。因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星往往處在雙星系統(tǒng)甚至是多星系統(tǒng)中,，超過(guò)70%的大質(zhì)量恒星處于密近雙星系統(tǒng),，隨著演化都會(huì)與其伴星產(chǎn)生物質(zhì)交流。而這種密近雙星很難在測(cè)光上分開,。因此我們看到的O型星光譜其實(shí)是兩顆或多顆星的混合光譜,。圖三展示了兩次觀測(cè)的HD 46966光譜之間的變化。另外很多O型星受星風(fēng)的影響,，光譜也會(huì)發(fā)生變化,，但至今也不是很清楚星風(fēng)為何發(fā)生變化。

我們也很難從其光譜類型中直接推導(dǎo)出O型星的質(zhì)量,。對(duì)于常見的冷星來(lái)說(shuō),，如果知道其光譜型，其質(zhì)量和演化狀態(tài)基本上就能定下來(lái),。但對(duì)于O型星來(lái)說(shuō),，光譜類型只能對(duì)應(yīng)著一個(gè)很大的質(zhì)量范圍。如根據(jù)Geneva給出的演化曲線,，一顆O4 V的星對(duì)應(yīng)的質(zhì)量范圍大概為35-85個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,。

圖3. HD 46966在兩次觀測(cè)時(shí)，光譜中He和H線的變化（圖源：李廣偉）

主序后演化

O型星在主序階段光度能變化約0.2-0.4dex,，但過(guò)了主序之后,，光度變化幅度非常小。也就是說(shuō),，一顆處于演化晚期的O型星,，其光度與主序光度相差不大。因此一個(gè)O型星的光度幾乎主要由其初始質(zhì)量決定,，而與其所處的演化階段關(guān)系不大（見圖4）,。

圖4. 大質(zhì)量恒星的Geneva演化軌跡（圖源：Ekstrom et al. 2012）

一顆小于25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的O型星，可以演化到紅超巨星(RSG),。但是由于金屬豐度越大星風(fēng)越強(qiáng),，越容易把外包層吹掉,，所以金屬豐度越低,，外包層越容易保留，進(jìn)而越容易演化到紅超巨星階段,。

超過(guò)60個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的O型星,，可以直接演化到Wolf–Rayet（WR）星。但是金屬豐度越高，星風(fēng)越強(qiáng),，越容易把恒星的外包層吹掉,，依次把N、C和O裸露出來(lái),，形成WN,、WC和WO型Wolf–Rayet星。從而金屬豐度越高,，質(zhì)量小的O型星越容易形成Wolf–Rayet星,。

影響O型星演化的其他因素

自轉(zhuǎn)對(duì)大質(zhì)量恒星演化很重要。因?yàn)楦咚僮赞D(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致大質(zhì)量恒星內(nèi)部的物質(zhì)混合,，進(jìn)而把外面新鮮的核燃料氫帶入進(jìn)核心區(qū)域,，從而改變了恒星的演化軌跡，同時(shí)也延長(zhǎng)了恒星的壽命,。特別地,，在低金屬豐度情況下，大質(zhì)量恒星可以直接往更藍(lán)更熱的方向演化,。圖5左圖是一個(gè)質(zhì)量為15個(gè)太陽(yáng),，自轉(zhuǎn)速度為300km/s的大質(zhì)量恒星內(nèi)部子午環(huán)流情況；而右圖是大麥哲倫云中的大質(zhì)量恒星在不同自轉(zhuǎn)速度下的演化軌跡,。

大質(zhì)量恒星在金屬豐度極低的情況下,，由于星風(fēng)很弱，可以形成超大質(zhì)量的恒星,，其質(zhì)量甚至達(dá)到1000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,。

圖5. 左圖來(lái)自Maeder & Meynet 2012；右圖來(lái)自N. Langer 2012

O型星死亡及其產(chǎn)物

O型星死亡時(shí)會(huì)成為核塌縮超新星,。我們可以通過(guò)確定這些超新星爆炸前究竟是WR,、LBV、RSG甚至YSG,，來(lái)了解和約束大質(zhì)量恒星的演化模型和超新星爆炸機(jī)制,。伽馬射線長(zhǎng)暴被認(rèn)為是高速自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量恒星在死亡時(shí)的絢麗煙花。我們甚至看到了宇宙形成僅僅5億年時(shí)的伽馬射線長(zhǎng)暴,。

產(chǎn)生引力波事件的雙黑洞系統(tǒng),，有可能來(lái)自于兩顆高速繞轉(zhuǎn)的大質(zhì)量恒星。當(dāng)兩個(gè)大質(zhì)量恒星處在雙星系統(tǒng)中進(jìn)行高速繞轉(zhuǎn),，其自轉(zhuǎn)速度與軌道速度同步時(shí),，高速自轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的內(nèi)部混合，這種混合會(huì)源源不斷的把新鮮的氫燃料帶入核心區(qū)域,，所以直到把所有燃料耗盡時(shí),，恒星內(nèi)部都不會(huì)產(chǎn)生分層,，從而整個(gè)星體不會(huì)膨脹，反而越來(lái)越小,，直到最后燃料耗盡,，兩者都變成幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，進(jìn)而并合產(chǎn)生被LIGO探測(cè)到的引力波（見圖6）,。

圖6. LIGO 探測(cè)到大量的幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的雙黑洞并合事件（圖源：見圖片）

LAMOST在O型星研究中的貢獻(xiàn)

O型星非常稀少,，據(jù)估計(jì)銀河系內(nèi)只有幾萬(wàn)顆O型星。當(dāng)今最大的O型星星表庫(kù),，只包含590顆O型星,，這是人類積攢了上百年的觀測(cè)成果。而LAMOST一次性就發(fā)現(xiàn)135顆新的O型星,，極大的增加當(dāng)前的星表庫(kù),。基于LAMOST的O型星表,，找到了目前銀河系自轉(zhuǎn)速度最快的恒星和自轉(zhuǎn)速度最快的O型氮超豐矮星,，同時(shí)也第一次給出了氮超豐O型星的起源解釋。未來(lái)對(duì)LAMOST發(fā)現(xiàn)的O型星進(jìn)行研究,，將會(huì)拓展人類的對(duì)O型星的認(rèn)識(shí),。

圖7. 銀河下的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST（圖源：陳穎為）

總結(jié)

O型星的一些性質(zhì)和我們常見的FGK型有很大的不同。本文羅列了一些O型星的特殊性質(zhì),。LAMOST等巡天光譜數(shù)據(jù)和將來(lái)中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡低色散光譜將會(huì)幫助我們更加深入的了解O型星及其演化,。

作者 · 簡(jiǎn)介 

李廣偉，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員,，研究領(lǐng)域主要為：恒星天體物理,，和天文技術(shù)與方法。