那顆還沒炸完的星

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

那顆還沒炸完的星

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

船底座η在19世紀(jì)40年代的“大爆發(fā)”，造就了濃煙滾滾的沙漏形的侏儒星云。這里顯示的是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的著名圖像。圖片來源：Nathan Smith/University of Arizona and NASA

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

1838年到1845年間，天文學(xué)家注意到，在南天發(fā)生了一件不同尋常的事。之前并不顯眼的船底座η變得越來越亮，最終成為全天除天狼星之外最亮的恒星。20年后，它卻從人們的視野里消失了。天文學(xué)家稱這次事件為“（船底座η）大爆發(fā)”。這次事件向太空中噴出的氣體殼質(zhì)量至少有太陽的10倍，甚至可能高達(dá)40倍。這些物質(zhì)形成的一片沙漏形、充滿塵埃的云，被稱為“侏儒星云”（Homunculus Nebula），現(xiàn)在直徑已經(jīng)有大約一光年，并且仍在以210萬千米/小時的速度繼續(xù)擴(kuò)張。

是什么造成了這次爆發(fā)？19世紀(jì)的天文學(xué)家們是否見證了一次異樣的超新星爆炸？一顆恒星以災(zāi)難性的爆炸結(jié)束了自己的生命？

“不盡然，”美國亞利桑那大學(xué)博士生米甘?齊明齊（Megan Kiminki）說，“我們說船底座η是一顆‘偽超新星’。雖然它噴出了大量的物質(zhì)，變得非常明亮，但恒星本身還一直在那兒。”

科學(xué)家稱這種爆發(fā)為“偽超新星”事件，因?yàn)樗鼈兛瓷先ジ滦潜l(fā)很像，但在恒星本身完全毀滅之前停住了。事實(shí)上，到了20世紀(jì)中葉，船底座η的亮度又開始增加了。

仔細(xì)分析哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的船底座η的圖像，齊明齊和她的團(tuán)隊(duì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，“大爆發(fā)”只不過是船底座η系統(tǒng)自13世紀(jì)以來一系列大規(guī)模噴發(fā)中離我們最近的一次而已?？茖W(xué)家一直致力于弄清到底是什么造成了船底座這樣的恒星系統(tǒng)的爆發(fā)，而這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)，就像偵探故事里一把“硝煙還未散去的槍”一樣，將成為決定性的證據(jù)。

“從19世紀(jì)第一次爆發(fā)的報告到最近用先進(jìn)的現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)，船底座η一直令我們困擾，”同在亞利桑那大學(xué)的納坦?史密斯（Nathan Smith）說，“爆發(fā)背后的原因一直是最重要的未解之謎。而現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，在此之前還有好多次爆發(fā)。這有點(diǎn)像通過發(fā)掘古代巖漿的遺跡來重建一座火山的噴發(fā)史。”

盡管要看到熾熱如火的侏儒星云內(nèi)部很不容易，但天文學(xué)家還是弄清楚了，船底座η是一個由兩顆大質(zhì)量恒星組成的雙星系統(tǒng)，兩星互繞的周期為5年半。這兩顆子星都比太陽大得多，而且至少有一顆已經(jīng)接近生命的終結(jié)。

“即使在不噴出星云物質(zhì)的時候，它們也是非常不穩(wěn)定的巨型恒星，”齊明齊說，“它們有著致密的核和非常稀薄的外層。如果把那顆較大的星放到我們太陽的位置（它的質(zhì)量有太陽的90-100倍），它的表面肯定能延伸到火星軌道之外?！?/p>

船底座η系統(tǒng)中較大的子星是一顆即將走到生命盡頭的、巨大而不穩(wěn)定的恒星。而19世紀(jì)天文學(xué)家觀測到的那次事件，就是它的一次“瀕死體驗(yàn)”。

由于侏儒星云標(biāo)志性的外觀，它成了很多天文項(xiàng)目觀測的目標(biāo)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在20年間拍攝的共計8幅圖像，成了齊明齊與她的同事們寶貴的研究資源。

他們原本的觀測計劃是打算測量船底座星云中恒星和原恒星噴流（年輕恒星在形成過程中噴射出的物質(zhì)流）的自行，但同樣的觀測數(shù)據(jù)也為測量船底座η本身噴出的碎片的運(yùn)動提供了極大的方便。

擴(kuò)張中的侏儒星云。圖片來源：APOD

箭頭顯示了在船底座η噴發(fā)物中觀測到的792個地方的自行。箭頭的顏色標(biāo)記了從中央星噴出的年代。迄今我們只觀測到了一次噴發(fā)（紅色）。藍(lán)色和綠色的箭頭分別標(biāo)記了13世紀(jì)中葉和16世紀(jì)中葉的兩次噴發(fā)。圖片來源：Kiminki et al./NASA

“當(dāng)我對齊這些照片時，我發(fā)現(xiàn)其中有船底座η的那張很難對齊，”齊明齊說，“我們只能用不動的天體作為對齊的基準(zhǔn)點(diǎn)，但我想，‘哇，這里面有好多東西真的在動?！谑俏覀儧Q定仔細(xì)看看?！?/p>

通過對齊不同時期拍攝的星云圖像，研究者得以追蹤船底座η在不同時期噴出的800多個氣體泡的運(yùn)動，并反推出每一個噴發(fā)的可能日期。這項(xiàng)分析表明，侏儒星云和19世紀(jì)觀測到的增亮現(xiàn)象只是船底座η整個歷史的一部分而已。對噴出的物質(zhì)束速度的測量顯示，它們來自兩次獨(dú)立的噴發(fā)，分別發(fā)生在大爆發(fā)之前600年和300年。

除了在時間上有不同的起源，這些較早的噴發(fā)物形成的幾何形狀也與侏儒星云不同。侏儒星云是從恒星的兩極噴出的，顯示出沿自轉(zhuǎn)軸對稱的形狀。

“我們發(fā)現(xiàn)其中一次早期的噴發(fā)跟侏儒星云的對稱性很相似，但它的對稱軸與大爆發(fā)的角度相差甚遠(yuǎn)，”齊明齊解釋說，“更令人驚訝的是，最古老的那次噴發(fā)完全是單向的，這表明有兩顆星牽涉其中，因?yàn)橐活w恒星幾乎不可能只向一個方向拋出物質(zhì)。”

盡管不太好理解，這一發(fā)現(xiàn)卻是天文學(xué)家在認(rèn)識船底座η頻繁噴發(fā)原因的道路上邁出的一大步。

“我們不知道船底座η上還要發(fā)生什么事，”齊明齊說，“但知道了船底座η至少噴發(fā)過三次，我們就知道，引起爆發(fā)的一定是一個再發(fā)性過程，因?yàn)橐f每次爆發(fā)都是由不同的機(jī)制引起的，這不大可能。”

侏儒星云的3D模型。圖片來源：NASA Goddard’s Conceptual Image Lab

“即使我們?nèi)匀徊荒艽_定19世紀(jì)那次爆發(fā)背后的物理機(jī)制，現(xiàn)在我們至少知道，那不是個一次性的事件。”史密斯說，“超大質(zhì)量恒星如何死亡？我們的發(fā)現(xiàn)讓這一問題變得更加難解了，但它也是這一謎團(tuán)中關(guān)鍵的一環(huán)。像船底座η這樣的恒星顯然不會就那么靜靜地在夜空中消逝?！?/p>

船底座η的爆發(fā)使我們得以一窺超大質(zhì)量恒星生命最后的不穩(wěn)定階段，這是十分難得的機(jī)會。研究超新星的學(xué)者劃分了一種超新星爆發(fā)的亞型，它們在瀕臨最終爆炸時，會經(jīng)歷若干次劇烈的噴發(fā)。史密斯認(rèn)為，船底座η可能就是這種恒星當(dāng)中離我們最近的一個。

船底座η是在不遠(yuǎn)的將來可能爆炸為超新星的恒星中離我們最近的幾顆之一（雖然天文學(xué)上“不遠(yuǎn)的將來”可以延伸到10萬年或者更遠(yuǎn)）。如果它真的爆發(fā)，從地球上將看到令人難忘的一幕，那將遠(yuǎn)比它上一次噴發(fā)明亮得多。迄今發(fā)現(xiàn)的最明亮的超新星SN 2006gy，其前身恒星也是屬于這一類型，不過它位于2億光年遠(yuǎn)的河外星系中。

與此同時，另一個獨(dú)立的天文研究團(tuán)隊(duì)首次建立了“大爆發(fā)”產(chǎn)生的不斷擴(kuò)張的星云——侏儒星云——的高分辨率三維模型。

“我們的模型表明，這個巨大的氣體-塵埃殼的起源比一般認(rèn)為的要復(fù)雜。”美國宇航局戈達(dá)德中心的托馬斯?馬杜拉（Thomas Madura）說，“這是第一次，我們看到星云中心雙星之間的相互作用，如何在星云形態(tài)的塑造中扮演至關(guān)重要的角色?！?/p>

借助歐洲南方天文臺（ESO）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT），這支團(tuán)隊(duì)沿著92條橫跨星云的狹縫拍攝了近紅外、可見光和紫外三個波段的光譜，形成了迄今最完整的一幅光譜地圖。研究者利用這些光譜提供的位置和速度信息，制成了侏儒星云的第一個高分辨率全3D模型。

構(gòu)建星云形狀的模型只用到了光譜中位于近紅外波段的一條來自氫分子云的發(fā)射線。隨著擴(kuò)張中的氣體的運(yùn)動速度和方向的不同，這條波長2.12微米的譜線會發(fā)生輕微的偏移。紅外線能夠穿透塵埃，因此，即使是星云中被塵埃遮住的、背向我們而去的氣體，研究者也能夠加以探測。

這個新的模型確認(rèn)了先前研究得出的一些特征，例如在兩瓣云氣的末端存在明顯的空洞，以及在接近星云中央的、可見光波段可見的塵埃裙?fàn)钗锏牡胤接^測不到氫分子的發(fā)射線。新確定的特征包括從云氣瓣接近塵埃裙的地方發(fā)出的有趣的臂狀突起物，以及蜿蜒于云氣瓣上的大而深的溝壑，還有云氣在背向地球一側(cè)出現(xiàn)的不規(guī)則的擴(kuò)張。

“通過這項(xiàng)研究，我們要回答的一個問題是，侏儒星云上是否打著它中央雙星的烙印。因?yàn)橹暗难芯考俣ǎ鼉砂甑男螤疃嗌偈茄刂L軸對稱的（這暗示只有一顆星參與了星云的形成），”研究組成員、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的天文學(xué)家約瑟?格羅（Jose Groh）解釋說，“而新確定的特征強(qiáng)烈地暗示，塑造了侏儒星云的是船底座η的兩顆星?！?/p>

現(xiàn)在讓我們來看看另一架太空望遠(yuǎn)鏡得出的成果。作為錢德拉X射線天文臺17年前升空后的首批觀測目標(biāo)之一，船底座η系統(tǒng)一直通過它發(fā)射的X射線向我們透露著有關(guān)它性質(zhì)的線索。

這幅多波段圖像顯示了三架不同的望遠(yuǎn)鏡在船底座η天區(qū)觀測到的結(jié)果。從左到右依次是：錢德拉X射線天文臺在X射線波段、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在可見光波段和陸基的2MASS巡天項(xiàng)目在紅外波段拍攝的圖像。X射線圖像揭示出星云外圍一個馬蹄形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)、一個熾熱的內(nèi)核以及一個熾熱的中央源。可見光圖像顯示出兩個巨大的泡狀結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)中心擴(kuò)張而出，速度超過一百萬千米/小時。紅外波段的數(shù)據(jù)則表明船底座η是銀河系中最明亮的恒星系統(tǒng)之一。圖片來源：可見光，NASA/STScI；近紅外，2MASS/UMass/ IPAC-Caltech/NASA/NSF

“錢德拉”拍攝的船底座η的X射線圖像。圖片來源：ASA/CXC/GSFC/ K.Hamaguchi et al.

天文學(xué)家試圖了解船底座η系統(tǒng)兩顆子星以及它們相互作用的情況。其中較大的一顆子星，它的物質(zhì)正通過超過100萬千米/小時的恒星風(fēng)快速地流失。即使沒有“大爆發(fā)”的清洗，由于本身極高的物質(zhì)流失速率，它的質(zhì)量也將在千年之后降到和太陽差不多的水平。

船底座η的伴星，盡管比它的伙伴要小一些，但仍然是一顆大質(zhì)量恒星，大約有30倍太陽質(zhì)量。它的物質(zhì)流失速率約是前一顆的百分之一，不過比起其他大多數(shù)恒星來，它的質(zhì)量損失速度也很可觀了。不過，這顆伴星倒是在星風(fēng)的速度上打敗了主星，它的星風(fēng)速度幾乎是主星的十倍。

侏儒星云的最新模型顯示出氫分子發(fā)射區(qū)上的突出物、溝壑和不規(guī)則的特征。突出物出現(xiàn)在星云中央、可見光波段下可以看見的塵埃裙附近（見中圖）。但在氫分子發(fā)射的研究中，塵埃裙并沒有出現(xiàn)。因此它們被認(rèn)為是不同的結(jié)構(gòu)。圖片來源：NASA Goddard; inset: NASA, ESA, Hubble SM4 ERO Team

當(dāng)這樣兩陣高速而有力的恒星風(fēng)迎面相撞，它們會形成一個弓形的激波面（類似超音速飛機(jī)產(chǎn)生的音爆），而激波會加熱兩星之間的氣體。當(dāng)這些氣體的溫度達(dá)到1000萬度，它們就會發(fā)出“錢德拉”可以探測到的X射線。當(dāng)兩顆星運(yùn)行到最接近時，伴星發(fā)出的較快的星風(fēng)會在主星致密但是較慢的星風(fēng)中“鑿”出一條隧道。這個口子張開的角度跟云氣瓣上溝壑的長度（130度）和臂狀突起物的角度（110度）相當(dāng)吻合，這就是說，大爆發(fā)時期兩星運(yùn)行到近點(diǎn)附近時發(fā)生的相互作用，在侏儒星云上打下了印記。

在“錢德拉”拍攝的船底座η圖像中，低能X射線用紅色、中能X射線用綠色、高能X射線用藍(lán)色表示。圖中藍(lán)色的點(diǎn)源是由碰撞的星風(fēng)引起的，而彌散的藍(lán)色發(fā)射區(qū)則是大爆發(fā)噴出的物質(zhì)對這些X射線的漫反射。更遠(yuǎn)處的低能X射線顯示出兩星的星風(fēng)，或者也可能是大爆發(fā)噴出的物質(zhì)，與周圍的物質(zhì)碰撞的情況。這些周圍的物質(zhì)也許是來自大爆發(fā)之前的若干次噴發(fā)。

船底座η系統(tǒng)的一個有趣的特征是，它的兩顆子星是在非常扁而長的橢圓軌道上，以5年半為周期互相繞轉(zhuǎn)的。因此，兩顆星在軌道不同位置上時，它們之間的距離可以相差20倍。這樣一條橢圓形的軌道，就為天文學(xué)家研究兩星的星風(fēng)在不同距離相撞時會發(fā)生什么，提供了難得的機(jī)會。

在整條軌道的大部分地方，X射線在“頂點(diǎn)”（apex）處，也就是恒星風(fēng)迎面相撞的地方最強(qiáng)。但是，當(dāng)兩顆星處在軌道上距離最近的位置——天文學(xué)家稱為“近點(diǎn)”（periastron）——時，X射線出乎意料地減弱了。此時，船底座η的兩顆巨大而明亮的子星之間的距離，跟火星到太陽的平均距離相當(dāng)。

為了理解X射線在近點(diǎn)減弱的原因，天文學(xué)家用“錢德拉”對船底座η進(jìn)行了觀測。人們得到了船底座η中相撞的星風(fēng)發(fā)出的X射線的首幅細(xì)節(jié)圖像。研究表明，兩星運(yùn)行到近點(diǎn)處，頂點(diǎn)位置發(fā)出的X射線會減弱，其部分原因在于，頂點(diǎn)處發(fā)出的X射線被主星發(fā)出的致密的星風(fēng)，或者主星本身的表面遮住了。（別忘了，主星本身就有火星軌道那么大?。┝硪粋€造成X射線減弱的因素是，兩星運(yùn)行到近點(diǎn)附近時，兩星之間的激波看來遭到了破壞：這也許是因?yàn)槊芏仍黾雍螅瑲怏w的冷卻變得更快了；又或許是由于主星強(qiáng)烈的紫外輻射降低了伴星星風(fēng)的強(qiáng)度。

船底座η發(fā)出的光，要經(jīng)過7000年才能傳到地球。當(dāng)我們看到這7000年前發(fā)出的光時，也許更多的事已經(jīng)發(fā)生了。“也許現(xiàn)在船底座η已經(jīng)成了一顆超新星，不過我們只有再等7000年才能知道了?！饼R明齊說。

（責(zé)任編輯 馮翀）

這是超新星的前兆嗎？圖片來源：NASA/ESA