螺旋星云里面最大的一颗恒星（关于行星状星云的讨论）
螺旋星云里面最大的一颗恒星（关于行星状星云的讨论）恒星的外层逃逸后，小得多的内层坍缩成一颗白矮星。这颗恒星可比生成它的红巨星更热、更亮，它照亮并加热逸出的气体，直到气体开始自己发光 —— 此时，我们就看到了一个行星状星云。整个过程在天文学的标准下是非常快的，但在人类的标准下是缓慢的，通常需要几个世纪到几千年。行星状星云形成的主导理论以前只涉及一颗恒星 —— 红巨星本身。由于它的外层只有微弱的引力，它在接近生命的尽头时会非常迅速地流失质量，每世纪损失多达 1%。它还像一锅沸腾的水一样在表面下搅动，导致外层脉冲进出。天文学家推测，这些脉动会产生冲击波，将气体和尘埃喷射到太空中，从而产生所谓的恒星风。然而，要完全排出这些物质而不让它们落回恒星是需要大量能量的。恒星风不可能是什么和煦的春风，这种风需要具备火箭爆发的力量。银河系中布满了成千上万个这样的珠宝般的遗迹，被称为行星状星云。对于那些质量从太阳的一半到太阳质量的8倍不等的恒星来说，这是它们正
在它们生命的最后，类太阳恒星会蜕变成发光的气体壳。
上图：蝴蝶星云位于距离地球不到 4 000 光年的天蝎座，是行星状星云的一个显着例子，它是中小型恒星演化的最后阶段。 蝴蝶透明的“翅膀”由气体和尘埃组成，这些气体和尘埃从垂死的恒星中排出，并被恒星剩余的核心从内部照亮。 星云对称的双叶形状是伴星帮助塑造流出的气体的标志。 主星和它的伴星都被星云中心的尘埃笼罩着。
数十亿年后，当我们的太阳接近生命的尽头，氦核开始在其核心融合，它将急剧膨胀，变成所谓的红巨星。在吞并了水星、金星和地球之后，它会变得非常大，以至于再也抓不住最外层的气体和尘埃。
在一个辉煌的结局中，它将把这些层弹射到太空中，形成一个美丽的光幕，这些光幕将像霓虹灯一样发光数千年，然后消失。
银河系中布满了成千上万个这样的珠宝般的遗迹，被称为行星状星云。对于那些质量从太阳的一半到太阳质量的8倍不等的恒星来说，这是它们正常的结束阶段。（质量更大的恒星的结局要剧烈得多，这种爆炸被称为超新星。）行星状星云的形状千差万别，如南方蟹状星云、猫眼星云和蝴蝶星云等。虽然它们很美丽，但对天文学家来说也是一个谜。这些“宇宙蝴蝶”是如何从一颗红巨星看似平淡无奇的圆形茧中脱颖而出的呢？
现在，科学观测和计算机模型指向了一种30年前看起来很奇怪的解释：大多数红巨星都有一个小得多的伴星隐藏在它们的引力怀抱中。正是这第二颗恒星将这个过程塑造成行星状星云，就像陶工在泥胎转盘上塑造器皿一样。
上图：美国宇航局的新詹姆斯韦伯太空望远镜揭示了南环星云的非凡细节，这是一个位于船帆座约 2500 光年外的行星状星云。 在左侧，近红外图像显示了壮观的同心气体壳，记录了垂死恒星爆发的历史。 在右侧，中红外图像很容易将星云中心的垂死恒星（红色）与其伴星（蓝色）区分开来。 星云中的所有气体和尘埃都被这颗红星驱散了。
行星状星云形成的主导理论以前只涉及一颗恒星 —— 红巨星本身。由于它的外层只有微弱的引力，它在接近生命的尽头时会非常迅速地流失质量，每世纪损失多达 1%。它还像一锅沸腾的水一样在表面下搅动，导致外层脉冲进出。天文学家推测，这些脉动会产生冲击波，将气体和尘埃喷射到太空中，从而产生所谓的恒星风。然而，要完全排出这些物质而不让它们落回恒星是需要大量能量的。恒星风不可能是什么和煦的春风，这种风需要具备火箭爆发的力量。
恒星的外层逃逸后，小得多的内层坍缩成一颗白矮星。这颗恒星可比生成它的红巨星更热、更亮，它照亮并加热逸出的气体，直到气体开始自己发光 —— 此时，我们就看到了一个行星状星云。整个过程在天文学的标准下是非常快的，但在人类的标准下是缓慢的，通常需要几个世纪到几千年。
华盛顿大学的天文学家布鲁斯·巴里克（Bruce Balick）说，在哈勃太空望远镜于1990年发射之前，我们非常确定我们在理解这一过程的道路上是正确的。然后，当他和纽约罗彻斯特大学的亚当·弗兰克（Adam Frank）在奥地利的一次会议上看到了哈勃的第一张行星状星云照片时，他们知道，游戏已经改变了。
天文学家假设红巨星是球形对称的，圆形的恒星应该产生圆形的行星状星云。但这可不是哈勃所看到的 —— 甚至不是很接近。罗切斯特理工学院的天文学家乔尔·卡斯特纳（Joel Kastner）说：“很明显，许多行星状星云具有奇异的轴对称结构。”哈勃望远镜揭示了奇妙的叶、翼和其他结构，这些结构都不是圆形的，而是围绕星云的主轴对称的，就像在陶轮上转动一样。
上图：在地面观测站的早期照片中，南蟹状星云似乎有四个弯曲的“腿”，就像一只螃蟹。 但来自哈勃太空望远镜的详细图像显示，这些腿是两个大致形成沙漏形状的气泡的侧面。 气泡的中心是两股气体射流，当它们遇到恒星之间的气体时，可能会亮起“结”。 位于半人马座距离地球数千光年的南蟹似乎发生过两次气体释放事件。 大约 5500 年前的一个事件创造了外部“沙漏”，而 2300 年前的一个类似事件创造了更小的内部“沙漏”。
对此，关于这些结构起源引发了科学界的争论。一些科学家提出，轴对称源于红巨星的旋转方式或其磁场的表现，但这两种想法都未能通过一些基本的测试。随着恒星变大，旋转和磁场都应该变得更弱，但红巨星的质量损失率却在它们生命的最后加速。
另一种说法是，大多数行星状星云不是由一颗恒星形成的，而是由一对恒星形成的 —— 悉尼麦考瑞大学的天文学家奥苏拉·德马尔科（Orsola De Marco）将其命名为“双星假说”。在这种情况下，第二颗恒星要比红巨星小得多，亮度要低几千倍，可能就像木星离太阳那么远。这将允许它在足够远的距离内破坏这颗红巨星，而不会被吞噬。（其他的可能性也存在，比如“俯冲轰炸轨道”，在这个轨道上，第二颗恒星每隔几百年就会接近这颗红巨星，从它身上剥落一层。）
双星假说很好地解释了一颗垂死恒星变形的第一阶段。当伴星将尘埃和气体从主恒星剥离时，它们不会立即被吸入伴星，而是在伴星的轨道面上形成一个旋转的物质盘，称为吸积盘。这个吸积盘就好像是“制陶轮”。如果圆盘有磁场，它将推动任何带电气体离开圆盘平面，并朝向旋转轴。但即使没有磁场，圆盘内的物质也会阻碍轨道平面内气体向外流动，因此气体会呈双叶状结构，以更快的速度向两极流动。这正是哈勃望远镜在行星状星云的图像中看到的。天文学家奥苏拉·德马尔科表示：“当伴星理论能很好地解释时，为什么还要寻找一个非常复杂的解释呢？”
上图：左图，双喷流星云，距地球 2400 光年，位于蛇夫座，呈现沙漏形状，两股快速移动的气体喷流向极地流动。 这种气体可能是大约 1200 年前由中央恒星喷出的。 右图，距离地球 3300 光年的猫眼星云，位于天龙座，呈现出 11 个同心尘埃环，天文学家估计它们每隔 1500 年就会释放一次。 复杂的内部结构形成的过程仍然是任何人的猜测。
然而，一些天文学家并不认同无法探测到伴星的观点。比利时鲁汶大学的天文学家琳恩·迪森（Leen Decin）表示，就在2020年，一位著名的天体物理学家告诉她，“琳恩，一切看起来都很奇妙，观测是如此令人着迷，目前最先进的模型似乎很好地解释了数据，但最终，我们难道不应该只相信我们实际看到的吗？”
但在过去的10到15年里，这种趋势稳步逆转。新的和创新的望远镜已经揭示，一些红巨星在变成行星状星云之前，被螺旋结构和吸积盘包围着 —— 如果有第二颗恒星从红巨星上吸走物质，就会像预期的那样。在一些情况下，天文学家甚至可能已经发现了伴星本身。
琳恩·迪森和她的同事们特别依赖于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），该阵列于2011年上线。ALMA 由66个射电望远镜组成，它们一起工作，产生天文物体的图像。琳恩·迪森说：“如果你想了解动力学和速度，它给了我们很高的空间和光谱分辨率，这是很重要的。”对于科学家绘制恒星风和吸积盘的地图来说，速度是一个重要的问题。
ALMA 已经在十多颗红巨星周围发现了螺旋状或弧形结构，几乎可以肯定，这是一种迹象，表明物质正在从红巨星脱落，并以螺旋状的方式靠近它的伴星。这些螺旋与计算机模拟结果非常接近，无法用旧的恒星风模型来解释。琳恩·迪森在2020年的《科学》杂志上报告了最初的发现，并在次年的《天文学和天体物理学年度评论》上进一步阐述了这些发现。
此外，琳恩·迪森的团队可能已经在 ALMA 图像中发现了两颗红巨星之前无法探测到的同伴，即“p1 Gruis”和“L2 Puppis”。为了确定这一点，她需要在一段时间内监测它们，看看新探测到的物体是否在围绕主星运动。琳恩·迪森说：“如果它们动了，就肯定有同伴。”也许这一发现会说服最后的怀疑论者。
就像犯罪现场调查人员一样，天文学家现在掌握了行星状星云形成之前和之后的快照。他们唯一缺少的就是对这一事件本身的“监控录像”。天文学家有希望捕捉到一颗正在变成行星状星云的红巨星吗？
到目前为止，计算机模型是“观察”这个长达数百年的过程自始至终展开的唯一途径。它们帮助天文学家了解了一个戏剧性的场景，在这个场景中，伴星在长时间的轨道运行后，由于潮汐力量而失去了距离，坠入了主星。亚当·弗兰克说，当它盘旋向这颗红巨星的核心时，它会释放出“数量惊人的引力能量”。计算机模型显示，这极大地加速了恒星释放外层的过程，只需一到十年。如果这是正确的，如果天文学家知道往哪里看，他们就可以实时见证恒星的死亡和行星状星云的诞生。
其中一个需要关注的候选者是“V Hydrae”。这颗非常活跃的红巨星每隔8.5年向两极喷射子弹状的等离子体团，在过去的2100年里，它还在赤道面“咳”出了6个大环。NASA喷气推进实验室的天文学家拉格万德拉·萨海（Raghvendra Sahai）在今年4月发表了这一发现，他认为这颗红巨星有两颗伴星，而不是一颗。附近的伴星可能已经擦过了红巨星的外壳，并产生了等离子体喷射，而远处的伴星在俯冲轰炸轨道上控制着环的喷射。如果是这样的话，“V Hydrae”可能会吞食它更近的同伴。
最后，我们的太阳呢？对双星的研究似乎与我们恒星的命运没有什么关系，因为它是单星。琳恩·迪森估计，有伴星的恒星质量损失速度是没有伴星的恒星质量损失速度的6到10倍，因为，伴星剥离红巨星外壳的效率要比红巨星卸掉自己的外壳的效率高得多。
这意味着，有伴星的恒星数据不能可靠地预测没有伴星的恒星的命运，比如太阳。大约一半和太阳一样大的恒星都有某种类型的伴星。琳恩·迪森表示，伴星会一直影响恒星风的形状，如果它离恒星足够近，它会显著影响质量损失率。太阳很可能会比那些恒星喷出它的外层更慢，并且停留在红巨星阶段的时间要长好几倍。
但是，关于太阳最后的活动还有很多未知。例如，尽管木星不是恒星，但它仍然足够大，可以吸引来自太阳的物质，并为吸积盘提供能量。琳恩·迪森说：“我认为，木星会形成一个非常小的螺旋。即使在我们的模拟中，你也可以看到它对太阳风的影响。”
如果真的是这样，那么我们的太阳最终也可能会有一个华丽的压轴表演。
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