雙巨星的“舞步”

文/戴銘玨

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡是一個耗資巨大的望遠(yuǎn)鏡，它一再延期發(fā)射，終于在2021 年的圣誕節(jié)順利升空。經(jīng)過半年的調(diào)試，它傳回了一張又一張的圖片，給世人帶來新的視覺震撼。

而其中一張怪異的照片，讓科學(xué)家感覺莫名奇妙。照片的拍攝目標(biāo)是WR140，這是一對呈圓環(huán)結(jié)構(gòu)的恒星。照片顯示W(wǎng)R140和人類的指紋有著不可思議的相似之處，它以一顆耀眼的恒星為中心，向四周擴散出17 個同心弧，每組的間隔遵循著一定的規(guī)律。開始的時候，科學(xué)家以為這是詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的衍射現(xiàn)象造成的。

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片有一個顯著的特點：比較亮的星帶有8 條星芒，像針刺那樣放射性地擴展出去，其中2 條較為短小。這些星芒其實是望遠(yuǎn)鏡的支架造成的。但是，這張怪異的照片引起了巨大的反響，人們開始意識到，這些圓環(huán)狀的彩色光芒是真實存在的，它們是塵埃一樣的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

早在20 多年前，科學(xué)家就注意到了WR140。凱克望遠(yuǎn)鏡在2001 年就觀測過它，2017 年又再一次觀測它。世界上其他的大型望遠(yuǎn)鏡，也都曾經(jīng)把它當(dāng)作目標(biāo)。

獨特的“舞步”

WR140 是由2 顆恒星組成的雙星系統(tǒng)，位于距離地球6000 光年外的天鵝星座。它是一個非常奇異的天文目標(biāo)，在滾滾的塵埃煙霧中，隱藏著2 顆體形巨大的恒星，這2 顆恒星分別是一顆大質(zhì)量O 型恒星伴星和一顆極其罕見的沃爾夫-拉葉星。

沃爾夫-拉葉星本屬O 型恒星，也就是宇宙中最大、最亮的恒星。它在誕生的初期，由于吸收了較多的物質(zhì)，具有30 多個太陽質(zhì)量，其亮度可以高達(dá)太陽的100 萬倍。之所以能放射出如此強烈的光芒，是因為它能劇烈地燃燒氫元素。這般“奢侈”的行為就像是一個敗家子，很快氫元素就會燃燒得所剩無幾。它現(xiàn)在只剩下以氦和碳元素為主的內(nèi)核，呈現(xiàn)出一副半死不活的樣子，所以沃爾夫-拉葉星這種大塊頭的恒星一般都活不長。

沃爾夫-拉葉星以2000 千米/秒的速度把大量的物質(zhì)拋射出去，這意味著每隔10 萬年，就得損失一個太陽的質(zhì)量。長此以往，它的周邊便產(chǎn)生了一個巨大的氣體外殼。它也從最初的30 多個太陽質(zhì)量，變成了目前的10 個太陽質(zhì)量。

WR140的沃爾夫-拉葉星

WR140的兩顆恒星與太陽比較

而另一顆大質(zhì)量O 型恒星伴星的質(zhì)量，大概是30 個太陽質(zhì)量，目前尚處于生命旺盛期。這種情況跟沃爾夫-拉葉星誕生初期幾乎一樣。

這一對伙伴圍繞著共同的引力中心運轉(zhuǎn)，每相互靠近一次大概需要7.9 年。詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片上顯示的17 個圓環(huán)，是在130 多年間形成的。這是一對“相親相愛”的雙星，這些圓環(huán)是它們100 多年“戀情”的印記，在相互繞轉(zhuǎn)的過程中，留下了獨特的“舞步”。

WR140雙星軌道示意圖

迷霧重重的圓環(huán)

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的中紅外觀測裝置，對塵埃物質(zhì)有著極為出色的觀測能力。同時，哈勃望遠(yuǎn)鏡也具有紅外觀測能力，但它是接近光學(xué)波段的近紅外波段在起作用，它也拍攝到其他恒星周邊類似的圓環(huán)，IRAS 23166+1655 就是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的。這個目標(biāo)位于飛馬座，它的圓環(huán)是非常規(guī)則的旋渦結(jié)構(gòu)，一圈一圈向外界擴展了四五圈，占據(jù)了三分之一光年的寬度。這種圓環(huán)結(jié)構(gòu)引起了科學(xué)家極大的好奇心，他們爭相研究這個問題。

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的WR140 是目前看到的最清晰的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。那么，它僅僅是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，還是一圈圈向外擴展的螺旋結(jié)構(gòu)？目前尚不清楚。沃爾夫-拉葉星質(zhì)量較小，O 型恒星伴星質(zhì)量較大，因此，它們的軌道是略呈橢圓形的。當(dāng)質(zhì)量較小的沃爾夫-拉葉星沿著橢圓軌道沖到O 型恒星伴星附近的時候，它的塵埃物質(zhì)就會發(fā)生很大的變化，或如同炮彈射入墻體中一樣猛烈爆炸，或如同子彈射入水中一般動靜不大，其表現(xiàn)與塵埃物質(zhì)的密度息息相關(guān)。這涉及非常復(fù)雜的流體力學(xué)知識，因此，科學(xué)家建立起各種各樣的理論模型，來努力解答諸如當(dāng)它們彼此靠近時會發(fā)生什么、塵埃物質(zhì)的內(nèi)在表現(xiàn)如何等疑問。

距離6000 光年外的我們可能永遠(yuǎn)觀察不到這些變化。我們只能通過太空望遠(yuǎn)鏡看到，這些圓環(huán)結(jié)構(gòu)的痕跡隨著塵埃物質(zhì)的擴散，如同舞者的衣帶，在遙遠(yuǎn)的太空飄揚。

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡