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宇宙奧秘:恆星死亡時會發生什麼?

01-Oct/ Written by / Published in BBC/Category 創新科技
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數十億年之後,當太陽的壽命接近盡頭,其核心的氦核開始融合,它將急劇膨脹,變成所謂的紅巨星。在吞併了水星、金星和地球之後,它會變得非常大,以至於不能再吸住最外層的氣體和塵埃。在輝煌的結局中,它將把這些外層彈射到太空中,形成一個美麗的光幕,這些光幕將像霓虹燈一樣發光數千年,然後消失。

銀河系中散佈著成千上萬個這樣絢爛的遺跡,被稱為行星狀星雲。對於那些質量從太陽的一半到太陽八倍不等的恆星來說,這是正常的結束階段。質量更大的恆星的結局要劇烈得多,那種爆炸被稱為超新星。 行星狀星雲有著令人驚嘆的各種形狀,如南方蟹狀星雲(Southern Crab)、貓眼星雲(Cat’s Eye)和蝴蝶星雲(Butterfly)。雖然它們很美麗,但對天文學家來說也是一個謎。蝴蝶星雲是如何從一顆紅巨星看似平淡無奇的圓形繭中出現的呢?

現在,觀測和計算機模型都給出了一個30年前看起來很奇怪的解釋:大多數紅巨星都有一個小得多的伴星隱藏在它們的引力中。這第二顆恆星通過這個過程塑造成行星狀星雲,就像陶工在轉盤上塑造器皿一樣。

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在上圖的左邊,一幅近紅外圖像顯示了壯觀的南環星雲(Southern Ring Nebula)的氣體同心殼,這是一個位於船帆座(Vela)中,距地球大約2500光年遠的行星狀星雲。這些殼記錄了垂死恆星爆發的歷史。在右邊,一張中紅外圖像很容易地將星雲中心垂死的恆星(紅色)和它的伴星(藍色)區分開來。星雲中所有的氣體和塵埃都被那顆紅色的恆星驅散了。

巨殼

以前行星狀星雲形成的主導理論只涉及一顆恆星——紅巨星本身。由於外層只有微弱的引力作用,它在生命末期非常迅速地流失質量,每世紀流失1%。它還像一鍋沸騰的水一樣在表面下攪動,導致外層脈衝進出。天文學家的理論認為,這些脈動產生的衝擊波會將氣體和塵埃噴射到太空中,形成所謂的恆星風。然而,要將這些物質完全排出而不落回恆星,需要耗費大量的能量。它不能是溫和的風,這種風需要有火箭爆炸的強度才能形成噴射。

恆星的外層逃逸後,小得多的內層坍縮成一顆白矮星。這顆恆星比原來的紅巨星更熱、更亮,它照亮並加熱了逸出的氣體,直到氣體開始自己發光——於是我們看到了一個行星狀星雲。整個過程在天文學的標凖下是非常快的,但在人類的標凖下是緩慢的,通常需要幾個世紀到幾千年。

華盛頓大學(University of Washington)的天文學家布魯斯·巴里克(Bruce Balick)說,在哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)於1990年使用之前,「我們非常確定是循著正途」了解這一過程。然後他和他的同事,紐約羅徹斯特大學(University of Rochester)的亞當·弗蘭克(Adam Frank),在奧地利的一次會議上看到了哈勃第一張行星狀星雲的照片。「我們出去喝咖啡,看到了照片,我們知道研究路徑已經改變了,」巴里克說。

天文學家假設紅巨星是球形對稱的,圓形的恆星應該產生圓形的行星狀星雲。但這不是哈勃看到的——甚至不是近距離的。「很明顯,許多行星狀星雲都有奇異的軸對稱結構,」羅徹斯特理工學院(Rochester Institute of Technology)的天文學家橋·卡斯特納(Joel Kastner)說。哈勃揭示了奇妙的葉狀體、翅膀和其他結構,它們不是圓形的,但圍繞著星雲的主軸對稱,就像在陶工轉盤上轉動一樣。

在上面這張由哈勃太空望遠鏡拍攝的圖片中,南蟹狀星雲(Southern Crab Nebula)並不是有四條腿,而是有兩個氣泡。氣泡的中心顯示了兩個帶「結」的氣體噴流,當它們遇到恆星之間的氣體時可能會發光。南蟹位於距離地球幾千光年的半人馬座,似乎發生過兩次氣體釋放事件。大約5500年前的一次事件創造了外部的「沙漏」,2300年前的一次類似事件創造了內部的一個小得多的沙漏。

隱藏的同伴


巴里克和弗蘭克2002年在《天文學與天體物理學年度評論》(Annual Review of Astronomy and Astrophysics)上發表的一篇文章談及當時關於這些結構起源的爭論。一些科學家提出,軸對稱源於紅巨星的旋轉方式或其磁場的表現,但這兩種想法都未能通過一些基本的測試。隨著恆星變大,旋轉和磁場都應該變得更弱,但紅巨星的質量損失率在它們生命的最後加速。

另一種說法是,大多數行星狀星雲不是由一顆恆星形成的,而是由一對恆星形成的——悉尼麥考瑞大學(Macquarie University)的天文學家奧蘇拉·德馬爾科(Orsola De Marco)將其命名為「雙星假說」。在這種情況下,第二顆恆星要比紅巨星小得多,亮度要低幾千倍,可能就像木星離太陽那麼遠。因此它在足夠遠的距離內破壞這顆紅巨星,而不會被吞噬。(其他的可能性也存在,比如俯衝接近軌道,在這個軌道上,第二顆恆星每隔幾百年就會接近這顆紅巨星,從它身上剝落一層殼。)

雙星假說很好地解釋了一顆垂死恆星變形的第一階段。當伴星將塵埃和氣體從主恆星拉離時,它們不會立即被吸入伴星,而是在伴星的軌道面上形成一個旋轉的物質盤,稱為吸積盤。這個吸積盤就彷彿是制陶輪。如果圓盤有磁場,它將推動任何帶電氣體離開圓盤平面,並朝向旋轉軸。但即使沒有磁場,圓盤內的物質也會阻礙軌道平面內氣體向外流動,因此氣體會呈雙葉狀結構,以更快的速度向兩極流動。這正是哈勃望遠鏡在行星狀星雲的圖像中看到的。德馬爾科說,「當伴星能夠很好地解釋這種現象時,為什麼還要去尋找一個非常複雜的解釋呢?」

在左上方的圖片中,距離地球2400光年的蛇夫座(Ophiuchus)的雙噴星雲(Twin Jet Nebula)展示了一個沙漏形狀,有兩個快速移動的氣體噴流向兩極。這些氣體可能是1200年前由中央恆星噴出的。在右圖中,距離地球3300光年的天龍座(Draco)貓眼星雲(Cat’s Eye Nebula)展示了11個塵埃同心環,天文學家估計這些塵埃每隔1500年釋放一次。複雜的內部結構形成的過程仍然是任何人的猜測。

眼見為實


然而,一些天文學家並不認同無法探測到伴星的觀點。比利時的天主教魯汶大學(KU Leuven)的天文學家利安·德信(Leen Decin)寫道,就在2020年,一位著名的天體物理學家告訴她,「你知道嗎,利安,這一切看起來太神奇了,觀測結果太迷人了,目前最先進的模型似乎在解釋數據方面做得很好,但最終,我們不是應該只相信我們實際看到的嗎?」

但在過去的10到15年堙A這種趨勢穩步逆轉。新型望遠鏡已經揭示,一些紅巨星在變成行星狀星雲之前,被螺旋結構和吸積盤包圍著——如果有第二顆恆星從紅巨星上拉下物質,就會像預期的那樣。在一些情況下,天文學家甚至可能已經發現了伴星本身。

德信和她的同事們特別依賴於智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列望遠鏡群(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Alma),該陣列於2011年上線。阿塔卡馬由66個射電望遠鏡組成,它們一起工作,產生天文物體的圖像。德信說,「如果你想了解動力學和速度,它給了我們很高的空間和光譜分辨率,這是很重要的。」對於科學家繪製恆星風和吸積盤的地圖來說,速度是一個重要的問題。



EPA智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列望遠鏡群(Credit: EPA)

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最後一幕


阿塔卡馬在十多顆紅巨星周圍發現了螺旋狀或弧形結構,幾乎可以肯定,這是一個跡象,表明物質正在從紅巨星脫落,並螺旋向它的伴星旋轉。這些螺旋與計算機模擬結果非常接近,無法用舊的恆星風模型來解釋。德信在2020年的《科學》(Science)雜誌上報告了最初的發現,並在次年的《天文學和天體物理學年度評論》上進一步闡述了這些發現。

此外,德信的團隊可能已經在阿塔卡馬圖像中發現了兩顆紅巨星之前無法探測到的同伴,即p1 Gruis和L2 Puppis。為了確定這一點,她需要在一段時間內監測它們,看看新探測到的物體是否在圍繞主星運動。德信說,「如果它們動了,我肯定它們有同伴。」也許這一發現將說服最後一批懷疑者。

就像犯罪現場調查員一樣,天文學家現在有了行星狀星雲形成前和形成後的快照。他們缺少的一樣東西就是整個過程的錄像。天文學家有希望捕捉到一顆正在變成行星狀星雲的紅巨星嗎?

到目前為止,計算機模型是「觀察」這一持續了幾個世紀的過程從頭到尾的唯一方法。它們幫助天文學家確定了的場景,即伴星在繞主星運行很長一段時間後,由於潮汐力失去距離,墜入主星。弗蘭克說,當它螺旋走向紅巨星的核心時,伴星釋放出「驚人的引力能」。計算機模型顯示,這極大地加速了恆星脫離外層的過程,只需要1到10年。如果這是正確的,如果天文學家知道往哪堿搳A他們就能實時見證恆星的死亡和行星狀星雲的誕生。

其中一個需要關注的候選者是長蛇座V(V Hydrae)。這顆非常活躍的紅巨星每隔8.5年向兩極噴射子彈狀的等離子體團,在過去的2100年堙A它還在赤道面咳出了六個大環。美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室的天文學家拉夫文·薩哈(Raghvendra Sahai)在今年4月發表了這一發現,他認為這顆紅巨星有兩顆伴星,而不是一顆。附近的伴星可能已經擦過了紅巨星的外殼並產生了等離子體噴射,而遠處的伴星在俯衝轟炸軌道上控制著環的噴射。如果是這樣的話,長蛇座V可能會吞食距它更近的同伴。

最後,我們的太陽呢?對雙星的研究似乎與我們的恆星的命運沒有什麼關係,因為它是單星。德信估計,有伴星的恆星質量損失速度是沒有伴星的恆星質量損失速度的6到10倍,因為伴星剝離紅巨星外殼的效率要比紅巨星推掉自己的外殼的效率高得多。

這意味著,有伴星的恆星數據不能可靠地預測沒有伴星的恆星的命運,比如太陽。大約一半和太陽等大的恆星都有某種類型的伴星。德信表示,伴星會一直影響恆星風的形狀,如果它離恆星足夠近,它會顯著影響質量損失率。太陽很可能會比那些恆星噴出它的外層更慢,並且停留在紅巨星階段的時間要長幾倍。

但關於太陽最後的活動還有很多未知。例如,儘管木星不是恆星,但它仍然足夠大,可以吸引來自太陽的物質,並為吸積盤提供能量。德信說,「我認為木星會形成一個非常小的螺旋。即使在我們的模擬中,你也可以看到它對太陽風的影響。」

如果是這樣,那麼我們的太陽也可能會有一個華麗的謝幕。

請前往 BBC Future 閲讀 英文原文。

 

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