高速自转：大质量恒星的“养生秘笈”
一颗质量超过16个太阳质量的恒星，其特性与我们太阳相比会有一些极端。在它壮年阶段，其半径约为太阳的10倍，温度超过3万度，亮度是太阳的几万倍。但年龄不会超过一千万年，而我们的太阳质量是小质量恒星，但它的寿命可以超过一百亿年。目前在我们银河系内发现的最大质量恒星约为120-150个太阳质量，而在宇宙的早期甚至能到1000个太阳质量。
在宇宙早期，大质量恒星产生的电离光子电离了厚厚的中性氢，使得宇宙变得透明。当它死亡时产生的强烈爆炸，它是如此之亮以至于在宇宙的任何地方都可以看到。目前为止，我们已经看到了宇宙刚形成5亿年之后的伽马射线暴及其超强超新星爆发，这正是大质量恒星死亡时发出的绚丽而明亮的烟花。
宇宙大爆炸（来源：NASA）
大质量恒星是其所在星系主要的光源，这使得我们可以看到它们所在的遥远星系。大质量恒星会产生强大的星风，及其死亡时抛出的物质不但会增加星际介质的金属丰度（天文学家们把除了氢和氦的所有物质都称之为“金属物质”，它们的数量占所有原子总数的比率称为“金属丰度”），而且还会促进新的恒星形成。因此，从这方面说，大质量恒星是一个星系的超强发动机。正是由于它们的存在，才使得整个星系充满了活力，生生不息。
大质量恒星的超新星爆炸
和所有的恒星一样，大质量恒星在诞生之后，就开始燃烧其核心区的氢，把氢聚变成氦。这是恒星一生中最为漫长的阶段，这个过程占据了其生命的80%以上。当核心区的氢燃烧尽之后，由于没有能量支撑，核心会慢慢收缩，直到点燃氦核。但即使在其主序阶段，整个星体已经开始向外膨胀，并且星风变得越来越强烈。对于超过20个太阳质量的恒星，当氦燃尽之后，随后就是碳、氧、氖、镁、硅依次耗尽，此时，恒星完全变成一个洋葱结构：外面是氢包层，下面依次是氦层，碳层直到铁峰元素核。当核心完全变为铁核之后，由于此时没有能量供给，最后整个星体塌缩，变成一个核塌缩超新星。
生命在于自转
如果没有自转，所有大质量恒星都会重复着上面的生活。但是自转大大改变了它们千篇一律的生存状态。
高速自转的恒星和普通的恒星相比，有着自己完全不同的生活轨迹。首先，高速自转能导致星体内部很强的物质交流（子午环流，或叫爱丁顿流。左图是一个质量为15个太阳，自转速度为300km/s的星，其内部环流情况）。这种物质交流能改变恒星的内部分层结构，极端情况下可以使得恒星内部的核反应物质混合到表面，并且把外部的新鲜氢燃料带到核心区。由于不断被补充新鲜燃料，所以其寿命被明显延长。其次，这种强烈的混合会打破恒星常规的洋葱结构，使得在其演化晚期不会有氢壳层燃烧发生，所以星体不会膨胀很多，一直会保持身材苗条。最后，由于燃烧更为充分，一生可以积累更多的核燃烧后的金属物质。
经历过高速自转运动的氮超丰星
由此可知，高速自转可以使大质量恒星身材苗条，还能使其延年益寿，永葆青春。但我们银河系中大质量恒星都是新近形成的，有较高的初始金属丰度，因此星风都非常强，对高速自转的大质量恒星的制动效果明显，所以高速自转的大质量恒星非常稀少。在我们银河系，大质量恒星自转速度峰值在90km/s左右。这就像人类一样，都知道坚持锻炼能健康身体，但往往都不能坚持长久。那么如何知道哪些星经历过高速自转阶段呢？
氮超丰星是一种氮含量极高的星，一般要高于同类大质量恒星氮含量的10倍以上。早在1970年，美国Walborn先生在他博士期间发现了一颗很奇怪的星HD 201345，它的氮的光谱吸收线异常强。随后又陆续发现了一些氮超丰星。天文学家们用了各种理论模型都不能解释它为什么有这么多氮元素，只是根据它们的碳、氮、氧的比例，发现这种超丰的氮应该是恒星内部的核反应产物。超丰的氮元素究竟从何而来？这个问题一直困扰着天文学家。
我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）是目前光谱获取率最高的望远镜，它一次能观测4000个天体目标。截止2019年3月，LAMOST成为世界上首个发布光谱数超过千万量级的光谱巡天望远镜。利用LAMOST光谱数据，我们可以获得恒星沿着视线方向的运动速度。欧洲航空局的盖亚天文望远镜卫星（Gaia）在2018年4月份发布了超过13亿颗恒星的视差和自行数据，使得天文学家可以从中得到恒星距离和垂直于视线方向的运动速度。
图为LAMOST望远镜与星空
很幸运的是，我们也在LAMOST的千万光谱中找到了两颗高速自转的氮超丰星，名字分别为：LS I +61 28 和HDE 236672。紧接着收集了所有同时具有视向速度和Gaia天测数据的氮超丰星，然后对它们在银河系内的运动进行了分析，发现这些氮超丰星源于双星相互作用。
起初这类星作为伴星处在相互绕转的双星系统中。由于潮汐力作用或者物质吸积，导致了它们自转加速。当主星作为超新星爆炸之后，它们被沿着轨道切向方甩出。由于吸积物质，导致了自身高速自转，高速自转会大大增加赤道附近离心力和赤道半径，从而大幅度降低赤道附近的有效重力加速度。它们自转轴倾角的不同会造成我们看到的表面重力不同：如果它们的赤道正对着我们，我们就会看到高速自转且表面重力小的星（见左下图）；反之，如果它们的两极对着我们，那么我们就会看到自转慢且表面重力大的星（见右下图）。
左图为从赤道方向看高速自转星；右图为沿自转轴方向看高速自转星。（石雅婷绘）
大质量恒星的最主要能源来自于通过碳氮氧循环的氢燃烧。在其中，碳氮氧作为催化剂存在，总量保持不变。而碳和氧在这个过程中被转换成了氮，所以总体效果导致氮增加。高速自转会导致的化学元素整体混合，这种混合会把表面上的氢燃料带入核心，而把核心的核聚变过程产生的物质带到表面。从而导致了恒星表面上的氮超丰。
综上，这种氮超丰的星，正是我们要找的正在经历高速自转或者已经经历过高速自转的大质量恒星。
高速自转与天文学前沿
伽马射线暴和引力波事件是当前两个天文学前沿热点。伽马射线长暴被认为是高速自转大质量恒星死亡时的产物。当其死亡时，中心会塌缩成黑洞，而正是由于自身的高速自转，从而导致在黑洞周围形成一个高速绕黑洞旋转的等离子体，进而产生了强大的磁场。当磁极对准地球时，我们就会看到伽马射线爆发了。这种伽马射线长暴一般只持续几十秒，但最远的伽马射线暴能传播130多亿光年到达地球，它是我们研究宇宙黎明时代的强有力工具。
自从2015年9月14日，激光干涉引力波天文台（LIGO）发现了第一个引力波事件之后，天文学进入了多信使天文学时代。随后在2017年10月份，诺贝尔奖被颁发给在引力波探测方面作出杰出贡献的三个科学家。到目前为止，大多数探测到的引力波事件是几十个太阳质量的双黑洞并合形成的。这类双黑洞一般认为是由两个高速绕转的且高速自转大质量恒星形成的。
结束语
高速自转是天文学家理解大质量恒星本质的一个重要因素。高速自转的运动可以使得大质量恒星身材苗条，还能使其延年益寿，永葆青春。另外，它也是天文学家理解当前天文热点伽马射线长暴和引力波事件起源的关键。
作者简介：李广伟，国家天文台副研究员，主要研究方向为恒星物理。
不服气来看：关于子午道5个争论不休的问题，此文给大家写清楚了
蜗居在家为国家做贡献，不乱胡跑给政府添麻烦。准备把自己的一些东西整理一下，写一个蜀道的系列文章，想到哪里就写到哪里，没有什么顺序，大家有兴趣就看看吧。
我对秦岭的兴趣始于蜀道的研究，很多年前喜欢临习《石门颂》，开篇就是“高祖受命，兴于汉中，道由子午，出散入秦”，我就先写子午道吧。
一、什么时候修建子午道最早见于东汉班固的《汉书》，在王莽传中写当时王莽当政，为了给自己当皇后的女儿“有子孙瑞”，开凿了从长安“直通梁汉”的子午道。
这个说法很多人不赞成或者有不同的解释，这里我说说我的理解。
从《石门颂》就可以看出子午道至少在秦汉之际就被开辟应用，至于这个名字，有可能是王莽命名的，大家知道，王莽是有“改名狂魔”。
这几天西安抗疫说“长安常安”，当时王莽就是把”长安“改成了”常安“。最奇葩是，有一个地方的地名一年之中被改了五次，最后又改成了原来的名字，甚至连自己个国号都改了两次。
新莽很短，修路又是国家工程，按秦汉时期的工程能力，短期是修不好的，所以王莽就是给这条道取个名，然后功劳就归他了，有才！
古代称北为“子”，南为“午”，”子午道”的命名是因为这条道路的北端由汉长安城的正南进入子午谷（陕北秦直道的子午岭也是同意的道理）。
其实子午道正南正北的道路不是很多。我们现在的子午峪是从长安区子午镇南豆角村进入的，过“左公桥”后东望小五台，西过金仙观，上了五道梁、碌碡坪就到了210国道的喂子坪（以前写作硙子坪，硙wèi石磨："造治碾硙。"）。
金仙观小五台我就不写了，前面的文章写过。
二、关于子午关的位置210国道大家就熟悉了，一路到分水岭广货街。这里要说一个让历史学家非常暴躁的一个事情，就是关于“子午关”的断定，简直要把王莽的八代祖先骂死。
子午关如果顾名思义在子午峪就麻烦了，大名鼎鼎的清代历史地理学家顾祖禹历时30余年，编著成《读史方舆纪要》，就认为“子午关”在子午峪，要是知道了王莽的这个“骚操作”，刨了王莽坟的心都有。
子午道的入口在子午峪，子午关却在沣峪，也就是现在沣峪里210国道的石羊关。
我进入过子午峪多次，从来没有见到一个可以当做“百二雄关”的地方，只有从沣峪进去到分水岭的石羊关堪当此称。
唐人杨凝《送客入蜀》诗云：
剑阁迢迢梦想间，行人归路绕梁山。明朝骑马摇鞭去，秋雨槐花子午关。
还有李白等人提到的子午关就不提了，可见子午关的名气之大。
经常进山的人对石羊关应该不陌生，从沣峪河的东边过一个桥，在一个巨大的石壁上刻着三个大字“石羊关”，这里非常险要，每次我想停下车拍张照片都不敢，只有几次骑着自行车的时候，才拍下几张照片。
当地谚语：“石羊关，鬼门关，进门都要把命交天。”绝非虚言。
三、子午道南边的目的地。如果说蜀道都是通向蜀地，这就把天聊死了，下面的文字就不要看了。
子午道通向的目的地一说是汉中，一说是安康。其实这两种说法是一致的：汉中就是安康。
看到这里先不要着急，我说的不是现在。“汉中郡”最早是战国时候的楚国设立的，秦占据后依然沿用其名，而这个汉中郡的郡治就是在现在的安康。
意不意外，惊不惊喜？
当然汉承秦制，西汉的汉中就是现在的安康。现在的汉中市那时叫做南郑，是汉中郡下的一个县治。
平河梁风光
过了广货街、江口镇、月河梁、太山庙、龙王镇、铁炉坝，就到了汉阴县，一直到现在的安康市汉滨区，也就是到了当时的“汉中”。池河镇的古城遗址被当地人叫做“汉王城”。
当然这条路也叫做子午旧道或者子午东道，就是说还有一条子午东道，从宁陕的江口镇进入月河河谷好旬阳坝，翻平河梁进入长安河谷，到宁陕县城、两河口，然后到西乡县的子午镇，对，莫错，就是子午镇，为了和长安的子午镇区别，也叫做南子午镇，这里不管去现在的安康还是去汉中都很方便。
这是我的观点，当然每一条线路都有很多支线，很多资料上说还有很多的线路，我同意对，但是我只说我的观点。
现在的210国道基本就是沿着新线路（西线），和我以前跑过的从月河梁到镇安的路（这个路修得很好，但是线路的名字我说不清，以前文章中写过），就是东线的一部分。
总之，子午道的目的地是现在的安康而不是现在的汉中市。补充一点：西安市子午谷口位于东经108度52分，安康市正好也处于东经108度50分，与西安市子午谷口相比，基本上是正南正北的子午方向。
四、“明修栈道暗度陈仓”，到底是修的那条栈道。首先用李之勤先生的观点：“明修栈道暗度陈仓”于史无据，是元杂剧广为流传的，也就是说这是民间故事。
我们看正史，《史记》的高祖本纪中这样记载：“夏四月，诸侯罢戏下，各就国，羽使卒三万人从汉王，......从杜南入蚀中。去辄烧绝栈道......"
但是《史记》留侯列传同样说“汉王之国，良送之褒中”，然后张良劝说烧绝栈道。
也就是说同样一本书，所记载的内容不一，这就把后世的历史学家给难缠死了。
我取史念海教授的说法：刘邦到汉中走的是”蚀中“，至于送张良，已经是刘邦到汉中之后的事情了，从汉中送到褒中。这个解释完美。
秦末汉初当时还没有子午道这个名字，能否确定这个”蚀中“是哪里？这个专家们讨论的也不亦乐乎，各种说法都比较玄学，我从“杜南”一词说，在从当时阿房宫所在的位置，以及考虑到司马迁写《史记》的时候，长安城已经是天下之中，就认为所谓的”蚀中“，就是后来的子午道。
虽然正史中没有写到修栈道，那么既然考证出来是在子午道烧栈道，那么后世传说中的“修栈道”，肯定就是在子午道修的。
多么完美的解释。
《石门颂》是东汉的，与西汉相隔不远，认的是刘邦当祖宗的，“高祖受命，兴于汉中，道由子午，出散入秦”，也是一个有力证据。
五、三国魏延建议的从子午道奇袭长安的建议，诸葛亮为什么不采取？这个问题太简单了，那就简单地说一下。一说子午道在汉中偏东 的地方，远离蜀汉的大本营；二是子午道的山路太长了，物资供应跟不上。
诸葛亮为什么要先取陇右，再攻长安，就是为了解决粮草供应问题；而曹魏多次从子午道出征，这里距离他们的大本营长安很近，不存在这样的问题。
总结一下：子午道修建得很早，命名很晚。子午道最早是通向现在的安康，最早安康就叫做汉中郡，后来刘邦因为战略考虑，溯汉水西上“都南郑”，渐渐南郑就成为了战略中心，所以子午道就在南边逐渐分为两条线。这样明修栈道基本确定修的是子午道。
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子午谷奇谋有多离谱：后人用军事实践给出了明确答案！
公元228年，诸葛亮发动第一次北伐时，魏延提出了“子午谷奇谋”，但被诸葛亮否决。魏延和诸葛亮，究竟孰是孰非，历来争论极多。实际上，在此后的1800年历史里，后人在子午谷先后进行了四次军事实践，最终给出了明确答案。
第一，公元230年，曹真经子午谷伐蜀。这一年，曹睿派曹真、司马懿、张郃兵分三路入寇蜀汉，其中主将曹真亲自率领数万大军走子午谷。然而，曹真的部队在子午谷的崎岖小道上折腾了很久，后又遇到连绵大雨，逐渐陷入到了补给困难、军无战心的窘境，40多天后，曹真不得不草草撤退。曹真的这次子午谷尝试，距离魏延提出“子午谷奇谋”仅仅过了两年。打脸速度如此之快，估计连魏延自己都始料未及。可能有人会说，曹真运气不好，碰到了连绵大雨，否则胜负难料，好吧，我们姑且原谅魏延，毕竟孤证不能定罪，请您继续往下看。
第二，公元354年，司马勋经子午谷北伐。此时的中国，是南方的东晋VS北方的前秦，东晋王朝为夺回关中地区，派出桓温和司马勋两路北上。司马勋这一路大军，走的正是子午谷，结果呢，司马勋的部队历经千辛万苦，快要走出谷口时，遭遇了前秦军队的伏击，晋军乱作一团，司马勋丢下部队，自己一个人灰溜溜的跑了。不久，桓温独木难支，也很快撤退了，东晋这次北伐也就彻底破产了。复盘一下，司马勋数万大军走子午谷的经历，究竟打脸了谁，魏延当然在列，但最被打脸的应该是他的老祖宗司马懿，毕竟，司马懿当年可是“子午谷奇谋”的坚定支持者啊。
第三，公元1636年，高迎祥经子午谷进攻明朝。明朝末年，内忧外患，高迎祥、李自成、张献忠此起彼伏，其中，犹以高迎祥的部队最为彪悍，彪悍给了他彪乎乎的自信，他却用这份自信来试探子午谷。高迎祥带着5万大军偷渡子午谷，一路艰难跋涉，皇天不负有心人，15天，高迎祥终于看到了子午谷的尽头，与此同时，还有孙传庭的2万伏兵。一代闯王，5万大军，一阵拼命的挣扎后，还是彻全军覆没，高迎祥被俘，押送至京师后，死于凌迟酷刑，一千五百六十刀，每一刀的肉体疼痛之时，高迎祥会不会也给魏延送去了一千五百六十次全家问候？
第四，公元1936年，王耀武经子午谷进攻西安。你没看错，就是“打进济南府，活捉王耀武”里的这个人。1936年，西安事变爆发，被张杨二人扣押在西安，王耀武为表忠心，率领部下进入了子午谷，意图直捣西安解救。但是很可惜，尽管王耀武带领的已经是一支现代部队，其仍然在长途跋涉的过程中遇到了缺水缺粮的问题，甚至都找不到一块安营扎寨的平坦之处，最终只能原路返回。在这里多说一句题外话，王耀武这次勇闯子午谷，虽说失败了，但却真真切切的“表了忠心”，对其颇为赞赏，此后愈加信任和重用。
结语：再一再二不再三再四，魏延的错误已经铁证如山，“子午谷奇谋”之争可以盖棺定论了。现在回过头来，再复盘当年诸葛亮和魏延的用兵策略，你会发现，诸葛亮用兵更像是乔峰郭靖那样的“武林正宗”，魏延用兵更像是丁春秋那样的“歪门邪道”，两者的底蕴和内功，完全不是一个层次的。
