狮子座CW的AGB结构正是这一模型的典型体现。其核心质量约0.7倍太阳质量,氦聚变壳温度达1亿K,氢聚变壳温度约5000万K;外层包层富含碳、氧(重元素丰度是太阳的2倍),因对流作用将内部元素带到表面,形成“碳星”特征(光谱中碳吸收线强于氧)。这种结构决定了它的脉动特性:氢聚变壳的能量输出不稳定,导致包层压力变化,进而引发半径与亮度的周期性震荡。
(2)脉动机制:κ机制与“恒星心跳”
刍蒿增二型变星的脉动,核心是κ机制(不透明度机制)。当恒星包层膨胀时,温度下降,某些元素(如氢、氦)的不透明度(阻碍辐射穿透的能力)随温度降低而增加——这如同给恒星“裹上一层保温毯”,导致辐射压升高,推动包层进一步膨胀;当包层膨胀至最大半径时,温度降至最低,不透明度骤降,辐射压释放,包层在引力作用下收缩;收缩过程中温度升高,不透明度再次增加,开启下一轮膨胀。这种“膨胀-收缩-再膨胀”的循环,形成稳定的脉动周期。
狮子座CW的脉动周期(314天)与κ机制的效率直接相关。其包层中氢的不透明度对温度变化敏感,当温度在3500-4000K间波动时,不透明度的变化足以驱动半径在300-400倍太阳半径间切换。观测显示,其半径变化率约0.1倍太阳半径/天,相当于每天“呼吸”约70万公里——这一速度虽不及太阳耀斑,却足以让整个恒星的体积在半年内膨胀一倍,收缩时又缩回原状。
(3)亮度变化的物理本质:半径、温度与视面积的协同效应
狮子座CW的亮度变化(星等4.8-8.4等,亮度差约630倍),是半径变化、表面温度变化与视面积变化共同作用的结果。根据斯特藩-玻尔兹曼定律(光度L=4πR2σT?),恒星光度与半径平方、温度四次方成正比。狮子座CW的光变曲线显示:
亮度上升期(0-157天):半径从300倍太阳半径膨胀至400倍,表面温度从3600K降至3400K。此时半径增大的效应(平方增长)超过温度降低的效应(四次方衰减),光度逐渐增加,亮度从8.4等升至4.8等;
亮度下降期(157-314天):半径从400倍收缩至300倍,表面温度从3400K升至3600K。半径收缩的效应(平方衰减)弱于温度升高的效应(四次方增长),光度逐渐降低,亮度从4.8等回落至8.4等。
这种“非对称”的光变曲线(上升期略长于下降期),源于包层中对流运动的时间延迟——膨胀时外层物质惯性较大,收缩时惯性较小,导致周期内的能量释放不均。
三、刍蒿增二型变星家族:狮子座CW的“同类们”
狮子座CW并非孤立存在,它是刍蒿增二型变星家族的“原型成员”之一。这类变星占银河系恒星总数的约0.1%,却因显着的亮度变化与长周期,成为研究恒星晚期演化的关键样本。
(1)家族特征:长周期、高振幅与碳星属性
刍蒿增二型变星的共同特征包括:
光变周期:80-1000天(狮子座CW的314天属于中等周期);
亮度振幅:2.5-10等(狮子座CW的3.6等振幅,对应630倍亮度差,属中等振幅);
光谱类型:M型(红巨星)或S型(碳星),表面温度2500-4000K;
重元素丰度:碳丰度高于氧(C/O>1),因AGB阶段氦聚变产生碳,对流将其带到表面。
狮子座CW的碳丰度(C/O≈1.2)略高于典型刍蒿增二型变星(C/O≈1.1),这与其1.5倍太阳质量的前身星有关——质量较大的恒星在AGB阶段能产生更多碳,使C/O比值更高。
(2)家族成员对比:从鲸鱼座ο到麒麟座VY
刍蒿增二型变星家族中,最着名的是鲸鱼座ο(刍蒿增二),它是首个被确认的成员(1596年由David Fabricius发现),周期331天,亮度振幅6.5等(亮度差约1000倍),距离地球420光年。与狮子座CW相比,刍蒿增二的质量更大(约2倍太阳质量),半径变化范围更广(200-500倍太阳半径),碳丰度更高(C/O≈1.3),是“碳星”的典型代表。
另一成员麒麟座VY(VY Canis Majoris)则是“超级刍蒿增二型变星”,质量约17倍太阳质量(接近大质量恒星下限),半径达1420倍太阳半径(可容纳土星轨道),周期约2000天(5.5年),亮度振幅达10等(亮度差超1万倍)。尽管质量更大,麒麟座VY的演化阶段与狮子座CW类似——核心碳氧堆积,外包层脉动,最终将抛射物质形成行星状星云。
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