太空中最为壮观的世纪烟火,究竟何时会走到尽头?

想象一下,有一场“慢动作烟花”从170年前就开始在空中绽开,直到如今仍然在继续向外扩张,当然,这种类型的烟花并不会射进地球大气层,而是由一颗质量极大的恒星爆发射入太空中的。

这颗超大质量恒星(super-massive star)名为“海山二”(Eta Carinae,又名船底座η),是迄今为止已知的双星系统(double-star system)中最大的恒星,距离我们7500光年之远。美国航空航天局(NASA)哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)拍下了一张新图片(其中包括了人眼不可见的紫外线),图片中这颗巨大恒星发出了红、白、蓝三种颜色的高温气体,视觉上壮丽又旖旎,仿若花朵般绽放的烟火。

太空中最为壮观的世纪烟火,究竟何时会走到尽头?

哈勃空间望远镜拍摄下了这颗硕大无朋、惊艳四座的恒星海山二,它绽开“花火”的图像正给我们带来一系列新的惊喜。包括哈勃望远镜在内,已经有许多望远镜对这颗超大质量恒星进行了监测,时间跨度长达二十多年。这颗恒星是已知双星系统中最大的成员,一直以来都是个暴脾气,一直容易突然“暴走”。例如,19世纪40年代就有过一次爆发事件,期间爆炸喷射出的气体和尘埃形成了如图所示的两极“气泡”。而现在,哈勃望远镜的第三代广域照相机在紫外线下对爆炸形成的星云进行了探测,天文学家进而发现了高温气体(图中蓝色部分)中嵌入的镁光,在之前的探测中则并没有发现这一点。爆炸尘埃形成了两极气泡,外部冲击加热则带来了富含氮气的外围丝状物(图中红色部分),在这两者之间,就存在发光的镁。在两极气泡左下叶外侧的蓝色区域中,有一些非常显眼的可见的光带,当恒星自身的光线刺破尘埃团块形成的气泡表面时,就会发生散射形成这些光带。无论紫外线照射到密集灰尘上的何处,它都会留下一个细长的阴影,从尘埃气泡一直延伸到外围的气体之中。 海山二距离我们有7500光年之远。
版权:NASA、欧洲空间局(ESA)、内森•史密斯(亚利桑那大学)以及乔恩•莫尔斯(勇往直前研究所)

海山二的爆发形成了一对哑铃般的两极团状物,由海山二喷射出的尘埃、气体和其他丝状物构成。早期的时候,这颗恒星的质量可能超过了150倍的太阳质量。几十年来,天文学家一直在猜测,这颗超大质量恒星或许正处于完全毁灭的边缘。

这场太空“烟花”的爆发从19世纪40年代就开始了,海山二在那时经历了一场极为动荡的“大爆发”(Great Eruption),让它二十多年来一直都是第二亮的星,在1844年的时候,它的亮度达到了顶峰,仅次于天狼星(Sirius,也叫做大犬座 α 星),而天狼星距离地球比海山二近了上千倍,以至于有一段时间南海的航海员将它作为重要导航星。

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然而,自那次大爆发以来,这颗恒星已经渐渐褪去了原有的光辉,如今我们用肉眼几乎看不到它了。但这场大型“烟花表演”还没有结束,因为海山二还是在毁灭的边缘存活了下来。在过去的25年里,天文学家几乎用尽了哈勃望远镜上所有的探测仪器,来研究这颗闹腾的恒星。

19世纪中叶,航行在南部海域的水手们的夜间驾驶全靠船底座(Carina)中一颗璀璨的明星来指引方向。这颗名为海山二的恒星在十多年来一直都是天空中第二亮的恒星。当时的那些水手们大概很难想象,到了19世纪60年代中期,这颗耀眼的星体就变得肉眼不再可见了:在一场名为“大爆发”的猛烈爆炸中,海山二笼罩在了一团密集的尘埃之中。
视频来源:NASA戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)

哈勃望远镜的第三代广域照相机(Wide Field Camera 3,WFC3)拍出了紫外光下嵌入高温气体中的镁光(图中以蓝色显示),这一新的发现令天文学家非常惊讶,在以往拍摄的图片中从未出现过。

科学家早就知道的是,19世纪40年代“大爆发”后,外层被喷射出的物质坠入了这颗注定要走向毁灭的恒星之前抛射出的物质中,之后又被激波加热。研究团队曾预计,在新拍摄的图像中能在结构同样复杂的丝状阵列里发现来自镁元素的光,也就是发光氮(图中以红色显示)中的那些丝状阵列。但出乎意料的是,在喷射出的两极气泡与外部冲击加热形成的富氮丝状物之间,发现了一种全新的发光镁结构。

“我们发现了‘大爆发’期间喷射出的大量高温气体,但这些气体目前还没与海山二周围的其他物质发生碰撞,” 哈勃计划的调查员内森•史密斯(Nathan Smith)解释说,“大部分的物质喷发都位于我们一开始预计会是空腔的地方。这种意料之外的物质喷发速度极快,并且就一场总能量已经很高的恒星爆炸来说,它的速度又有了进一步提升。” 史密斯来自亚利桑那州图森的亚利桑那大学(University of Arizona)斯特尔德天文台(Steward Observatory)。

在这一次的图片中,新发现的气体对于了解“大爆发”的形成至关重要,因为它代表了可能被海山二喷射出的快速、高能的物质,在哑铃状的两极气泡形成之前不久这些物质就被星体驱逐了出来。天文学家还需要进行更多的观测,以准确测量这些气体和尘埃的移动速度和喷射时间。

在两极气泡左下叶的外侧,有一片蓝色的区域,其中的可见光带在图像中非常显眼。当恒星自身的光线刺破尘埃团块形成的气泡表面时,就会发生散射形成这些光带。无论紫外线照射到密集灰尘上的何处,它都会留下一个细长的阴影,从尘埃气泡一直延伸到外围的气体之中。纽约勇往直前研究所(BoldlyGo Institute)的团队成员乔恩•莫尔斯(Jon Morse)指出:“这种光与影的交织让人联想起阳光照射到云层边缘时我们在大气中看到的阳光光束,尽管海山二产生这种光的物理机制并不相同。”

研究人员表示,这种在紫外线下寻找高温气体的技术也可用于研究其他的恒星和气态星云。

“几十年来,我们一直都在借助哈勃望远镜研究可见光和红外光下的海山二,记录它动荡的爆发期喷射出的气体和尘埃,也一直认为我们的相关记录已经相当全面。但是,这次紫外光下拍摄的新图像看起来与以往大不相同,相比此前可见光和红外光下的图像,在没有发现物质的地方显现了意料之外的气体。”史密斯说道,“像原恒星(protostar)和其他濒临毁灭的垂死恒星,它们也能喷射出各种气体和尘埃,其中也可能隐藏了迄今我们没能观察到的气体,而这次在紫外光下发现的镁光射出就能揭示这些气体的存在,这一点着实令人振奋。现在只有哈勃望远镜能拍到这些照片。”

海山二有着悠久的动荡历史,极其容易发生七颠八倒的爆炸喷发,像星际中的间歇喷泉一样将自己的部分物质喷射到太空之中。这颗怪物般的恒星为什么会有如此奇异的行为呢?其中一个解释是,当三颗恒星被束缚在一个重力系统中时,彼此之间的相互作用可能会引起这种动乱,在这种情况下,三颗恒星中最大的那颗会吞噬掉另一颗恒星,进而引爆了19世纪中期的大规模爆发事件。

最终,海山二将经历超新星爆发(supernova explosion),这场惊世骇俗的星际烟花表演也将走向尽头。或许,毁灭性的结局已然发生,只是漫天华彩最后阶段的“光喷泉”还没来得及到达地球。

哈勃空间望远镜是NASA和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)的国际合作项目,望远镜的使用与维护由NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心负责管理,望远镜的科学运作位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute,STScI)负责,STScI由华盛顿特区大学天文研究协会(Association of Universities for Research in Astronomy)为NASA负责。

参考:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/hubble-captures-the-galaxys-biggest-ongoing-stellar-fireworks-show/

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