题图： 南环星云实际是一颗垂死恒星喷出的气体和尘埃的外壳（Credit: Nasa/ESA/CSA/STSCI）图像来源，NASA
宇宙奥秘：恒星死亡时会发生什么？
达纳·麦肯齐（Dana Mackenzie）
数十亿年之后，当太阳的寿命接近尽头，其核心的氦核开始融合，它将急剧膨胀，变成所谓的红巨星。在吞并了水星、金星和地球之后，它会变得非常大，以至于不能再吸住最外层的气体和尘埃。
在辉煌的结局中，它将把这些外层弹射到太空中，形成一个美丽的光幕，这些光幕将像霓虹灯一样发光数千年，然后消失。
银河系中散布着成千上万个这样绚烂的遗迹，被称为行星状星云。对于那些质量从太阳的一半到太阳八倍不等的恒星来说，这是正常的结束阶段。质量更大的恒星的结局要剧烈得多，那种爆炸被称为超新星。 行星状星云有着令人惊叹的各种形状，如南方蟹状星云（Southern Crab）、猫眼星云（Cat’s Eye）和蝴蝶星云（Butterfly）。虽然它们很美丽，但对天文学家来说也是一个谜。蝴蝶星云是如何从一颗红巨星看似平淡无奇的圆形茧中出现的呢？
现在，观测和计算机模型都给出了一个30年前看起来很奇怪的解释：大多数红巨星都有一个小得多的伴星隐藏在它们的引力中。这第二颗恒星通过这个过程塑造成行星状星云，就像陶工在转盘上塑造器皿一样。
图像来源，NASA 美国宇航局的新詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了南环星云的非凡细节（Credit: Nasa/ESA/CSA/STSCI）
在上图的左边，一幅近红外图像显示了壮观的南环星云（Southern Ring Nebula）的气体同心壳，这是一个位于船帆座（Vela）中，距地球大约2500光年远的行星状星云。这些壳记录了垂死恒星爆发的历史。在右边，一张中红外图像很容易地将星云中心垂死的恒星（红色）和它的伴星（蓝色）区分开来。星云中所有的气体和尘埃都被那颗红色的恒星驱散了。
巨壳
以前行星状星云形成的主导理论只涉及一颗恒星——红巨星本身。由于外层只有微弱的引力作用，它在生命末期非常迅速地流失质量，每世纪流失1%。它还像一锅沸腾的水一样在表面下搅动，导致外层脉冲进出。天文学家的理论认为，这些脉动产生的冲击波会将气体和尘埃喷射到太空中，形成所谓的恒星风。然而，要将这些物质完全排出而不落回恒星，需要耗费大量的能量。它不能是温和的风，这种风需要有火箭爆炸的强度才能形成喷射。
恒星的外层逃逸后，小得多的内层坍缩成一颗白矮星。这颗恒星比原来的红巨星更热、更亮，它照亮并加热了逸出的气体，直到气体开始自己发光——于是我们看到了一个行星状星云。整个过程在天文学的标准下是非常快的，但在人类的标准下是缓慢的，通常需要几个世纪到几千年。
华盛顿大学（University of Washington）的天文学家布鲁斯·巴里克（Bruce Balick）说，在哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）于1990年使用之前，“我们非常确定是循着正途”了解这一过程。然后他和他的同事，纽约罗彻斯特大学（University of Rochester）的亚当·弗兰克（Adam Frank），在奥地利的一次会议上看到了哈勃第一张行星状星云的照片。“我们出去喝咖啡，看到了照片，我们知道研究路径已经改变了，”巴里克说。
天文学家假设红巨星是球形对称的，圆形的恒星应该产生圆形的行星状星云。但这不是哈勃看到的——甚至不是近距离的。“很明显，许多行星状星云都有奇异的轴对称结构，”罗彻斯特理工学院（Rochester Institute of Technology）的天文学家桥·卡斯特纳（Joel Kastner）说。哈勃揭示了奇妙的叶状体、翅膀和其他结构，它们不是圆形的，但围绕着星云的主轴对称，就像在陶工转盘上转动一样。
图像来源，NASA 南蟹状星云最初被认为有四条像螃蟹一样弯曲的”腿”，但现代图像显示了一张新的图片（Credit: Nasa/ESA/A. Feild/STSCI）
在上面这张由哈勃太空望远镜拍摄的图片中，南蟹状星云（Southern Crab Nebula）并不是有四条腿，而是有两个气泡。气泡的中心显示了两个带“结”的气体喷流，当它们遇到恒星之间的气体时可能会发光。南蟹位于距离地球几千光年的半人马座，似乎发生过两次气体释放事件。大约5500年前的一次事件创造了外部的“沙漏”，2300年前的一次类似事件创造了内部的一个小得多的沙漏。
隐藏的同伴
巴里克和弗兰克2002年在《天文学与天体物理学年度评论》（Annual Review of Astronomy and Astrophysics）上发表的一篇文章谈及当时关于这些结构起源的争论。一些科学家提出，轴对称源于红巨星的旋转方式或其磁场的表现，但这两种想法都未能通过一些基本的测试。随着恒星变大，旋转和磁场都应该变得更弱，但红巨星的质量损失率在它们生命的最后加速。
另一种说法是，大多数行星状星云不是由一颗恒星形成的，而是由一对恒星形成的——悉尼麦考瑞大学（Macquarie University）的天文学家奥苏拉·德马尔科（Orsola De Marco）将其命名为“双星假说”。在这种情况下，第二颗恒星要比红巨星小得多，亮度要低几千倍，可能就像木星离太阳那么远。因此它在足够远的距离内破坏这颗红巨星，而不会被吞噬。（其他的可能性也存在，比如俯冲接近轨道，在这个轨道上，第二颗恒星每隔几百年就会接近这颗红巨星，从它身上剥落一层壳。）
双星假说很好地解释了一颗垂死恒星变形的第一阶段。当伴星将尘埃和气体从主恒星拉离时，它们不会立即被吸入伴星，而是在伴星的轨道面上形成一个旋转的物质盘，称为吸积盘。这个吸积盘就仿佛是制陶轮。如果圆盘有磁场，它将推动任何带电气体离开圆盘平面，并朝向旋转轴。但即使没有磁场，圆盘内的物质也会阻碍轨道平面内气体向外流动，因此气体会呈双叶状结构，以更快的速度向两极流动。这正是哈勃望远镜在行星状星云的图像中看到的。德马尔科说，“当伴星能够很好地解释这种现象时，为什么还要去寻找一个非常复杂的解释呢？”
图像来源，NASA 左：双喷星云。右图：猫眼星云（Credit left: J. Schmidt. Right: Nasa/Esa/Hubble Legacy Archive/Chandra X-Ray Obs./R. Pohl）
在左上方的图片中，距离地球2400光年的蛇夫座（Ophiuchus）的双喷星云（Twin Jet Nebula）展示了一个沙漏形状，有两个快速移动的气体喷流向两极。这些气体可能是1200年前由中央恒星喷出的。在右图中，距离地球3300光年的天龙座（Draco）猫眼星云（Cat’s Eye Nebula）展示了11个尘埃同心环，天文学家估计这些尘埃每隔1500年释放一次。复杂的内部结构形成的过程仍然是任何人的猜测。
眼见为实
然而，一些天文学家并不认同无法探测到伴星的观点。比利时的天主教鲁汶大学（KU Leuven）的天文学家利安·德信（Leen Decin）写道，就在2020年，一位著名的天体物理学家告诉她，“你知道吗，利安，这一切看起来太神奇了，观测结果太迷人了，目前最先进的模型似乎在解释数据方面做得很好，但最终，我们不是应该只相信我们实际看到的吗？”
但在过去的10到15年里，这种趋势稳步逆转。新型望远镜已经揭示，一些红巨星在变成行星状星云之前，被螺旋结构和吸积盘包围着——如果有第二颗恒星从红巨星上拉下物质，就会像预期的那样。在一些情况下，天文学家甚至可能已经发现了伴星本身。
德信和她的同事们特别依赖于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜群（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, Alma），该阵列于2011年上线。阿塔卡马由66个射电望远镜组成，它们一起工作，产生天文物体的图像。德信说，“如果你想了解动力学和速度，它给了我们很高的空间和光谱分辨率，这是很重要的。”对于科学家绘制恒星风和吸积盘的地图来说，速度是一个重要的问题。
图像来源，EPA 智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜群（Credit: EPA）
最后一幕
阿塔卡马在十多颗红巨星周围发现了螺旋状或弧形结构，几乎可以肯定，这是一个迹象，表明物质正在从红巨星脱落，并螺旋向它的伴星旋转。这些螺旋与计算机模拟结果非常接近，无法用旧的恒星风模型来解释。德信在2020年的《科学》（Science）杂志上报告了最初的发现，并在次年的《天文学和天体物理学年度评论》上进一步阐述了这些发现。
此外，德信的团队可能已经在阿塔卡马图像中发现了两颗红巨星之前无法探测到的同伴，即p1 Gruis和L2 Puppis。为了确定这一点，她需要在一段时间内监测它们，看看新探测到的物体是否在围绕主星运动。德信说，“如果它们动了，我肯定它们有同伴。”也许这一发现将说服最后一批怀疑者。
就像犯罪现场调查员一样，天文学家现在有了行星状星云形成前和形成后的快照。他们缺少的一样东西就是整个过程的录像。天文学家有希望捕捉到一颗正在变成行星状星云的红巨星吗？
到目前为止，计算机模型是“观察”这一持续了几个世纪的过程从头到尾的唯一方法。它们帮助天文学家确定了的场景，即伴星在绕主星运行很长一段时间后，由于潮汐力失去距离，坠入主星。弗兰克说，当它螺旋走向红巨星的核心时，伴星释放出“惊人的引力能”。计算机模型显示，这极大地加速了恒星脱离外层的过程，只需要1到10年。如果这是正确的，如果天文学家知道往哪里看，他们就能实时见证恒星的死亡和行星状星云的诞生。
其中一个需要关注的候选者是长蛇座V（V Hydrae）。这颗非常活跃的红巨星每隔8.5年向两极喷射子弹状的等离子体团，在过去的2100年里，它还在赤道面咳出了六个大环。美国宇航局（NASA）喷气推进实验室的天文学家拉夫文·萨哈（Raghvendra Sahai）在今年4月发表了这一发现，他认为这颗红巨星有两颗伴星，而不是一颗。附近的伴星可能已经擦过了红巨星的外壳并产生了等离子体喷射，而远处的伴星在俯冲轰炸轨道上控制着环的喷射。如果是这样的话，长蛇座V可能会吞食距它更近的同伴。
最后，我们的太阳呢？对双星的研究似乎与我们的恒星的命运没有什么关系，因为它是单星。德信估计，有伴星的恒星质量损失速度是没有伴星的恒星质量损失速度的6到10倍，因为伴星剥离红巨星外壳的效率要比红巨星推掉自己的外壳的效率高得多。
这意味着，有伴星的恒星数据不能可靠地预测没有伴星的恒星的命运，比如太阳。大约一半和太阳等大的恒星都有某种类型的伴星。德信表示，伴星会一直影响恒星风的形状，如果它离恒星足够近，它会显著影响质量损失率。太阳很可能会比那些恒星喷出它的外层更慢，并且停留在红巨星阶段的时间要长几倍。
但关于太阳最后的活动还有很多未知。例如，尽管木星不是恒星，但它仍然足够大，可以吸引来自太阳的物质，并为吸积盘提供能量。德信说，“我认为木星会形成一个非常小的螺旋。即使在我们的模拟中，你也可以看到它对太阳风的影响。”
如果是这样，那么我们的太阳也可能会有一个华丽的谢幕。
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来源: BBC
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