最終悸動

編譯 劉安立

在距今數(shù)十億年后，隨著太陽進入生命末期，其中心開始聚合氦核，太陽將顯著膨脹，變成紅巨星。在吞沒水星和金星等行星之后，太陽的個頭將變得很大，因而不再能束縛自己最外層的氣體和塵埃。在光彩的結局中，太陽不得不噴射出的這些物質將在太空中形成亮麗的光罩（氣殼）。這一氣殼將像霓虹燈一樣閃爍數(shù)千年，然后暗淡下來。

顛覆舊的假說

星系中到處點綴著這樣的氣殼，它們被科學家稱為行星狀星云。質量為0.5～8 倍太陽質量的恒星，最終都會演變成行星狀星云。更大質量恒星的結局也更暴烈——它們會爆發(fā)為超新星。行星狀星云形態(tài)各異，正如其名——南蟹、貓眼、蝴蝶等。不過，雖然這些名字很美，行星狀星云卻有一個謎困惑著科學家：紅巨星看似平淡無奇的圓球狀氣殼，最終怎么會變成外形各異的行星狀星云？

根據(jù)關于行星狀星云成因的早期主要理論，是紅巨星自身造就了這樣的星云：由于束縛自己外層物質的引力很弱，紅巨星會在生命末期迅速丟失物質，每百年會失去自身質量的1%；紅巨星表面下猶如一鍋沸水翻騰，引起外層物質脈沖；這樣的脈沖產生的沖擊波將氣體和塵埃炸進太空，形成恒星風；然而，要讓如此巨量的物質一去不回頭，不至于墜回紅巨星表面，紅巨星需要耗費的能量之巨大難以想象，而可以想象的是，恒星風絕非微風，而是具有超級火箭般的巨大力量；在紅巨星的外層逃逸后，小得多的內層坍縮成一顆白矮星；白矮星比原來的紅巨星溫度高得多，也亮得多，因此會照亮逃逸的氣體并導致氣體升溫，直到這些氣體自身發(fā)光，成為可見的行星狀星云。這一過程歷時幾百年到幾千年，這么長的時間在天文學中卻只是一瞬。

能量極其巨大的超新星爆發(fā)（想象圖）

在地面望遠鏡拍攝的早期圖像中，南蟹星云看上去有著像螃蟹那樣的“四條腿”。但空間望遠鏡拍攝的新圖像表明，這些“腿”是基本組成沙漏形狀的兩個泡泡的兩側。在這些泡泡的中心有兩條氣體射流，其“節(jié)點”在與恒星之間的氣體相遇時被照亮。南蟹星云位于距離地球幾千光年的半人馬座，該星云疑似發(fā)生過兩次氣體噴發(fā)事件：其中一次發(fā)生在大約5500年前，它形成了大“沙漏”；另一次發(fā)生在2300年前，形成了小“沙漏”

在哈勃太空望遠鏡（以下簡稱哈勃）于1990 年升空之前，科學家一直相信，紅巨星是對稱的圓球，因此會產生圓球狀的行星狀星云。而哈勃發(fā)回的圖像表明，許多行星狀星云擁有奇異的非對稱結構。哈勃發(fā)回的信息還揭示了雖不是圓球狀、但圍繞星云主軸對稱的瓣面、翼和其他結構，這些結構之對稱就好像是在陶工轉輪上旋轉出來的。

到了2002 年，科學家對這些結構的起源有兩種主要觀點。有人認為軸向對稱是源自紅巨星的自轉，也有人猜測是源自紅巨星磁場的運作，但這兩種觀點其實都站不住腳。隨著紅巨星越變越大，其自轉會變慢，磁場會變弱，但紅巨星在生命末期丟失質量的速度卻加快了。對此，這兩種觀點都無法解釋。

空間望遠鏡拍攝的新圖像揭示了南環(huán)星云（位于2500 光年外的船帆座）的驚人細節(jié)。左圖為近紅外圖，它顯示的壯觀的同心氣殼記錄了死亡恒星的爆發(fā)情況。右圖為中紅外圖，從圖中容易區(qū)分位于星云中心的死亡恒星（紅色）及其伴星（藍色）。星云中的所有氣體和塵埃都由紅色恒星噴發(fā)

另一種理論認為，大多數(shù)行星狀星云的形成都不是因為一顆恒星，而是因為一對恒星。這被稱為“雙星假說”。根據(jù)該假說，這第二顆恒星不僅比紅巨星（主星）小得多，而且亮度只有紅巨星的幾千分之一，前者與紅巨星的距離和木星距離太陽一樣遠。這樣的距離讓第二顆恒星既能“破壞”紅巨星，又不至于被紅巨星吞噬。還有其他可能性，例如第二顆恒星在一條俯沖轟炸軌道中每幾百年靠近紅巨星一次，在此期間通過引力剝離紅巨星的外層。

雙星假說能很好地解釋死亡恒星嬗變的第一階段。隨著伴星從主星（紅巨星）拖走塵埃和氣體，這些塵埃和氣體不會被吸入伴星，而是會在伴星的軌道平面形成旋轉的物質盤——吸積盤。如果吸積盤有磁場，盤中的某些帶電氣體就會被排斥出盤，向恒星的自轉軸聚集。就算吸積盤沒有磁場，盤中物質也會阻礙軌道平面的氣體外流，因此氣體呈現(xiàn)雙瓣結構，朝向兩極的氣體流速加快。而在哈勃拍攝的行星狀星云圖像中，清晰可見雙星假說描繪的情景。這意味著雙星假說可能是正確的。

上圖為雙射流星云，它位于距離地球2400光年的蛇夫座。該星云呈現(xiàn)沙漏形態(tài)，兩條氣體射流迅速流向兩極。這些氣體很可能由中心恒星在大約1200 年前噴發(fā)。下圖為貓眼星云，它位于距離地球3300 光年的天龍座。貓眼星云有11 條同心塵埃環(huán)，科學家估計這些塵埃每1500 年被噴發(fā)一次，但對貓眼星云的復雜結構怎樣形成仍不清楚

驗證新的假說

然而，一些科學家對雙星假說提出質疑：哈勃拍攝的圖像只能間接支持雙星假說，但這些圖像并未記錄到行星狀星云的形成過程，那么怎么能證明雙星假說的正確性？

這種質疑當然是有道理的。但在過去十幾年中，支持雙星假說的證據(jù)在增加。更先進的新望遠鏡揭示，一些紅巨星在轉變成行星狀星云之前被螺旋結構和吸積盤環(huán)繞，正如第二顆恒星從紅巨星那里拖離物質的情況。在一些情況下，科學家甚至有可能看見伴星。

位于智利的望遠鏡陣列，讓科學家得以繪制紅巨星周圍的恒星風在形成行星狀星云之前的分布圖。每幅圖左上角有恒星名稱。恒星向外噴發(fā)物質所形成的恒星風會造成盤狀、螺旋和“玫瑰”等各種結構

在驗證雙星假說方面，女科學家德馨的團隊主要依靠2011 年投入使用、位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（簡稱ALMA）。該陣列包括66 部射電望遠鏡，它們協(xié)力產生天體圖像。要想繪制恒星風和吸積盤的圖像，科學家就需要知道天體的速度。而要探索天體力學和天體速度，ALMA 所提供的空間及光譜的高解析度便非常重要。

ALMA發(fā)現(xiàn)了十多顆紅巨星周圍的螺旋或弧形結構，這是紅巨星噴射的物質旋轉流向伴星的幾乎明確的征兆。這些螺旋結構與電腦模擬結果很匹配，而用恒星風模型根本不能解釋這些結構。德馨團隊2020年在國際權威媒體發(fā)表了這一研究成果。此外，該團隊還表示在ALMA 所拍攝圖像中可能看見了兩顆紅巨星此前未被探測到的伴星。為了證實是否如此，他們需要長時間追蹤這些疑似伴星，看它們是否在環(huán)繞主星，如果是，那么基本就可以證實它們是伴星。

玫瑰星云是演化出鮮花形態(tài)的行星狀星云中最著名的一個。該星云位于距離地球大約5000 光年的麒麟座，圖中的“花瓣”其實是恒星產房。玫瑰星云的漂亮形狀是由該星云中心的年輕恒星團發(fā)出的恒星風和輻射塑造的，這些恒星的年齡都只有幾百萬年。玫瑰星云中心的巨大空腔直徑約為50 光年

科學家現(xiàn)在已經有了行星狀星云在形成前和形成后的“快照”，但缺乏對中間過程的觀測。那么，有沒有可能觀測到行星狀星云的形成過程？迄今，電腦模擬是“觀測”行星狀星云從開始形成到形成完畢之間數(shù)百年過程的唯一手段。電腦模擬已經幫助科學家聚焦一種場景：伴星在長期環(huán)繞主星，并且因潮汐力而逐漸靠近主星后墜向主星。隨著伴星旋轉著墜向主星核，伴星會失去極大量的引力能。電腦模擬表明，這會大大加速恒星失去外層物質的過程，最快在10 年內就會完成此過程。如果實際情況如此，加之如果科學家能知道在哪里觀測此過程，他們就可能實時目擊恒星死亡和行星狀星云的誕生。

這方面的一個候選觀測對象是長蛇座V星。這顆非?；钴S的紅巨星每8.5 年就朝自己的兩極噴射子彈狀的等離子體堆，并且在過去2100 年中噴射出的物質組成了位于其赤道平面的6 條大環(huán)?？茖W家在2022 年4 月宣布發(fā)現(xiàn)了這些環(huán)，并且相信這顆紅巨星有兩顆伴星。其中一顆更靠近紅巨星的伴星可能已經摩擦過紅巨星的外層，由此產生等離子體拋射，而另一顆較遠的伴星在俯沖轟炸軌道中控制環(huán)物質的噴射。如果這樣，紅巨星就可能將要吞噬距離自己較近的伴星。

再來看太陽。太陽沒有伴星。雙星假說似乎不涉及太陽的命運。有伴星的紅巨星失去自身質量的速度比沒有伴星的紅巨星快6～10 倍，這是因為伴星拖離紅巨星外層的效率比紅巨星自己噴射掉外層的效率高很多。太陽一般大小的恒星中大約一半有伴星。德馨等人的研究表明，伴星會影響恒星風的形態(tài)，如果伴星靠紅巨星很近還可能嚴重影響紅巨星失去自己質量的速度。太陽由于沒有伴星，失去自己外層物質的速度會慢很多，因此太陽處于紅巨星階段的時間也會長得多。

不過，科學家對太陽仍有很多未解之處。例如，雖然木星是一顆行星，而不是一顆恒星，但木星重得可能像一顆伴星那樣，足以從太陽那里拖離物質，并且推動吸積盤運轉。德馨推測，木星將會造成一個會影響太陽風的小螺旋結構，如果這樣，那么太陽可能也將最終上演炫彩大結局。