恒星周圍的同心漣漪

今年 7 月，NASA 的韋布空間望遠鏡（JWST）捕捉到了一個奇妙的宇宙景象：在兩顆恒星周圍，至少環(huán)繞著 17 個同心波紋。這一畫面令天文學(xué)家困惑，并引發(fā)了廣泛的討論。有人甚至猜測這些巨型漣漪可能與外星文明有關(guān)。

雙星系統(tǒng) WR140 的周圍，圍繞著一層層像環(huán)一樣的塵殼。（圖 /NASA/ESA/CSA/STScl/JPL-Caltech ）

現(xiàn)在，兩篇新發(fā)表于《自然》和《自然 - 天文學(xué)》雜志的論文解開了這一謎題。天文學(xué)家證實，這些同心環(huán)實際上是雙星系統(tǒng) WR140 中的兩顆恒星在發(fā)生激烈的循環(huán)相互作用時所產(chǎn)生的巨大塵殼。

WR140 雙星系統(tǒng)

WR140 是一個位于天鵝座的雙星系統(tǒng)，距離地球大約 5000 光年遠。夏威夷的凱克天文臺（光學(xué)望遠鏡）已經(jīng)對其進行了近 20 年的觀測。

這個雙星系統(tǒng)由一顆巨大的沃爾夫 - 拉葉星（WR 型星）和一顆更大的藍超巨星組成。所有的恒星都會產(chǎn)生恒星風(fēng)，但來自 WR 型星的恒星風(fēng)更像是恒星颶風(fēng)，風(fēng)中的碳等元素會凝結(jié)成煤煙，它們能維持足夠高的溫度，在紅外線中發(fā)出明亮的光，給了望遠鏡一些可以捕捉的東西。

WR140 是由一顆 WR 型星和一顆 O 型星組成的，畫面右上角顯示了太陽與這兩顆恒星的相對大小。O 型恒星的質(zhì)量大約是太陽的 30 倍，WR 型星的質(zhì)量大約是太陽的 10 倍。（圖 /NASA/JPL-Caltech）

WR140 中的兩顆超大質(zhì)量恒星之間的引力，將它們鎖定在一個為期 8 年的軌道周期上。每當這兩顆恒星彼此靠近時，它們的恒星風(fēng)就會相遇，壓縮氣體并形成塵埃羽狀物，這些塵埃羽狀物在恒星風(fēng)中像氣球一樣膨脹，向遠處延伸。

如此一來，這個雙星系統(tǒng)就像一個發(fā)條裝置一樣，每隔 8 年，就會產(chǎn)生一個塵埃環(huán)。每一次新產(chǎn)生的塵埃羽狀物都和前一次的一樣，于是這些塵埃環(huán)就形成了像樹木年輪一樣的畫面。

WR140 雙星系統(tǒng)的藝術(shù)構(gòu)想圖。（圖 /Amanda Smith/IoA/ University of Cambridge）

根據(jù)自 2006 年以來其他望遠鏡收集到的數(shù)據(jù)，研究人員創(chuàng)建了一個描述了這些塵埃羽狀物的三維幾何的模型。這個模型可以完美地解釋 JWST 在 7 月捕捉到的奇異的同心環(huán)。

更重要的是，通過比較模型和在 16 年間拍攝到的這兩顆恒星的紅外圖像，研究人員還首次捕捉到了強烈的星光 " 撞擊 " 物質(zhì)并使物質(zhì)加速的直接證據(jù)。

星光加速物質(zhì)

眾所周知，光具有動量，它會對物質(zhì)施加被稱為輻射壓的推力。但是，想要觀測由星光引起加速度的過程是非常困難的，因為這種力會隨距離的增加而減弱。

通常，天文學(xué)家只通過物質(zhì)在宇宙中高速滑行來見證這種現(xiàn)象，而且很少能直接記錄由引力以外的力引起的加速度，在恒星環(huán)境中觀測這種現(xiàn)象更是從未有過。若想實現(xiàn)這種觀測，物質(zhì)需要與恒星靠得相當近，或者輻射壓的來源需要特別強。

為了獲得更清晰的 WR140 圖像，研究人員使用了一種名為干涉測量的成像技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)塵埃的形成并不是像之前認為的那樣，隨著恒星風(fēng)從恒星中噴射而出，然后形成一個朦朧的球；事實上，塵埃是在兩顆恒星產(chǎn)生的恒星風(fēng)發(fā)生碰撞的附近——在它們之間的一個錐形激波波前形成。因為繞軌道運行的雙星在不斷運動，激波波前也在旋轉(zhuǎn)，因此塵埃羽狀物就成了螺旋狀。

在沒有外力的情況下，每個塵埃螺旋應(yīng)該以恒定的速度膨脹。這也正是讓研究人員感到很困惑的地方，因為他們無法讓觀測結(jié)果與模型相符，直到他們最終意識到，眼前看到的是一些新的東西：數(shù)據(jù)之所以不符，是因為膨脹速度并不是恒定的，而是在加速！

一旦研究人員將星光引起的塵埃加速加入到 WR140 的三維幾何模型中，模型就能完美地與觀測數(shù)據(jù)相匹配。

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這是研究人員首次用相機捕捉到這種加速。能夠如此直接地觀測到這樣的物理效應(yīng)，是出乎研究人員意料之外的驚喜。從這些數(shù)據(jù)中，我們可以看到 WR140 的塵埃羽狀物緩緩展開，它就像由塵埃制成的一張巨大風(fēng)帆。當它捕捉到來自恒星的光子風(fēng)時，就像捕捉到了一陣強風(fēng)的游艇一樣，突然向前躍進。

隨著已經(jīng)投入運行的 JWST 將在未來拍攝到越來越多清晰的畫面，天文學(xué)家將有望更多地了解 WR140 以及與其類似的系統(tǒng)。JWST 的驚人穩(wěn)定性和靈敏度，將會為 WR 物理學(xué)的世界打開一扇新的窗口。