詹姆斯·韦伯太空望远镜发现双星在太空中形成“指纹”

这张来自NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的图片显示,Wolf-Rayet 140中的两颗恒星每八年产生一次类似于环形的尘埃壳层。每一个环都是恒星靠近时产生,它们的恒星风相互碰撞,压缩气体并形成尘埃环。
影像来源:NASA, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech

一张新照片显示了至少17个尘埃环,它们是由一种罕见的恒星及其伴星在天体舞蹈中形成的。

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的一幅新图像显示了一幅非凡的宇宙景象:至少有17个同心尘埃环从一对恒星中发出。这两个星系距离地球仅5000光年,合称为Wolf-Rayet 140。

当两颗恒星靠近时,它们的恒星风(恒星吹向太空的气体流)相遇,压缩气体并形成尘埃时,就形成了尘埃环。这两颗恒星的轨道大约每8年让它们相遇一次;就像树干上的年轮一样,尘埃环标志着时间的流逝。

“我们正在研究这个系统产生的灰尘超过一个世纪。”美国国家科学基金会NOIRLab的天文学家刘瑞安说,刘瑞安是一项关于这个系统的新研究的主要作者,该研究于10月12日发表在《自然天文学》杂志上。“这张图片也说明了这台望远镜的灵敏度有多高。以前,我们只能用地面望远镜看到两个尘埃环。现在我们至少看到了17个。”

除了韦伯的整体灵敏度外,它的中红外仪器(MIRI)也特别适合研究尘埃环——或者刘瑞安和他的同事们所说的壳层,因为它们比图片中显示的更厚更宽。韦伯的科学仪器探测到红外光,这是一种人眼看不见的波长范围。MIRI探测到最长的红外波长,这意味着它通常可以看到比韦伯的其他仪器看到更冷的物体——包括尘埃环。MIRI的光谱仪还揭示了尘埃的成分,主要是由一种被称为沃尔夫-拉叶星的恒星喷射出的物质形成。

Wolf-Rayet 140中的两颗恒星每次轨道将它们相遇时都会产生尘埃环或尘埃壳。在这段视频中展示了它们轨道的可视化,这有助于说明它们的相互作用如何产生由NASA的韦伯太空望远镜观测到的指纹状图案。
影像来源:NASA, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech

MIRI是通过NASA和ESA(欧洲航天局)之间的50-50伙伴关系开发。位于南加州的的喷气推进实验室为NASA领导了这项工作,一个由欧洲天文研究所组成的多国联盟为ESA做出了贡献。

沃尔夫-拉叶星是一种O型恒星,出生时质量至少是我们太阳的25倍,它的寿命接近尾声,届时它可能会坍缩并形成黑洞。沃尔夫-拉叶星比年轻时燃烧得更热,它会产生强大的风,将大量气体推向太空。在这个过程中,这对特别的沃尔夫-拉叶星的质量可能减少了一半以上。

Wolf-Rayet恒星是一个O型恒星,出生时的质量至少是我们太阳的25倍,它的寿命接近尾声,届时可能会坍缩并形成黑洞。沃尔夫-雷耶特恒星比年轻时燃烧得更热,它会产生强大的风,将大量气体推向太空。这对特殊的沃尔夫-拉叶星可能在这个过程中失去了超过一半的原始质量。

在风中形成尘埃

将气体转化为尘埃有点像将面粉转化为面包:它需要特定的条件和成分。恒星中最常见的元素氢本身不能形成尘埃。但由于沃尔夫-拉叶星的质量太大,它们也会喷射出通常存在于恒星内部深处的更复杂的元素,包括碳。风中的重元素在进入太空时冷却,然后在来自两颗恒星的风相遇的地方被压缩,就像两只手揉面一样。

其他一些沃尔夫-拉耶特系统形成尘埃,但没有一个已知的环像沃尔夫-拉耶特140那样。之所以形成这种独特的环形图案,是因为WR 140中沃尔夫-拉叶星的轨道是拉长的,而不是圆形的。只有当恒星靠得很近——地球和太阳之间的距离差不多——它们的风相撞时,气体才有足够的压力形成尘埃。如果是圆形轨道,Wolf-Rayet双星可以连续产生尘埃。

这张图显示了太阳(左上角)与Wolf-Rayet 140星系中的两颗恒星的相对大小。这颗O型恒星的质量大约是太阳的30倍,而它的伴星质量大约是太阳的10倍。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

刘瑞安和他的合著者认为,WR 140的风也会将周围地区的残余物质吹走,清除掉它们可能与之碰撞的残余物质,这可能是光环保持原样而不是被涂抹或分散的原因。可能还有更多的环变得如此模糊和分散,甚至连韦伯都无法在数据中看到它们。

与我们的太阳相比,沃尔夫-拉叶星可能看起来很奇特,但它们可能在恒星和行星的形成中发挥了作用。当一颗沃尔夫-拉叶星清理出一个区域时,被扫走的物质会在外围堆积起来,密度足以形成新的恒星。有证据表明,太阳就是在这种情况下形成。

利用MIRI中分辨率光谱学模式的数据,这项新的研究提供了迄今为止最好的证据,证明沃尔夫-拉叶星产生富含碳的尘埃分子。更重要的是,这些保存的尘埃壳表明,这些尘埃可以在恒星之间的恶劣环境中生存,为未来的恒星和行星提供物质。

问题是,虽然天文学家估计银河系中至少应该有几千个沃尔夫-拉叶星,但迄今为止只发现了大约600个。

“尽管沃尔夫-拉叶星在我们银河系中很罕见,因为它们的寿命非常短,但在整个银河系的历史中,它们很可能在爆炸和/或形成黑洞之前产生了大量尘埃。”帕特里克·莫里斯说,他是加利福尼亚州帕萨迪纳市加州理工学院的天体物理学家,也是这项新研究的合著者。“我认为,有了NASA的新太空望远镜,我们将更多地了解这些恒星如何塑造恒星之间的物质,以及如何触发星系中新恒星的形成。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系中的谜团,展望其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴 ESA和CSA领导的一项国际计划。

亚利桑那大学的乔治·里克是米里美国科学团队的负责人。英国天文技术中心的吉莉安·赖特是MIRI欧洲首席研究员。英国ATC的阿利斯泰尔·格拉斯是MIRI仪器科学家,迈克尔·莱斯勒是JPL的美国项目科学家。拉斯洛·塔马斯与英国ATC共同管理欧洲联盟。MIRI制冷机的开发由喷气推进实验室领导和管理,与位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天飞行中心和位于加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼公司合作。加州理工学院为NASA管理喷气推进实验室。

有关韦伯任务的更多信息,请访问:

https://www.nasa.gov/webb

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/star-duo-forms-fingerprint-in-space-nasa-s-webb-finds

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