真假超新星
位於船底星雲中的船底η星，它是圖中最亮的那顆星（圖中左側）。船底η星的光度一直在變化，而且現在實際上是個雙星系統，距離地球大約7500光年遠。來源：ESO/IDA/ Danish 1.5 m/R.Gendler, J-E. Ovaldsen,C. Th?ne, and C. Feron
船底η星（Eta Carinae）作為銀河系中最亮的已知恆星系統之一，位於7500光年外的船底星雲內，那是南天上一大片的恆星形成區。在大約170年前，船底η星那兒發生了爆發，在這個過程中它釋放出了相當於一場標準超新星爆發所釋放的能量。外層不斷膨脹的氣體與塵埃構成的面紗現今仍然籠罩著船底η星，這也使其成了銀河系中極其獨特的天體之一。作為這場「爆炸秀」的主角，船底η星在19世紀30-60年代短暫地成了地球上夜晚能看見的第二亮恆星，僅次於天狼星，這一亮度變化其實也暗示了它成為銀河系中最亮和最大質量恆星之一的可能原因。從那時起，它的亮度就一直在變化，只是再也沒能「重拾」當年的光彩。
但是，它並沒在爆炸後消失，其中的緣由究竟是什麼？究竟是不是超新星爆發事件呢？於是，天文學家們開始尋找蛛絲馬跡，試圖來解釋這次激烈的爆發現象。顯然，他們沒法坐著時光機回到一百多年前去目擊爆發的發生，所以他們將目光鎖定在了這個事件的可「重播」部分。天文學家可以好好利用宇宙自帶的「倒帶機」，去回看早前發生的精彩瞬間。
圖1哈勃空間望遠鏡拍攝到的船底η星以及環繞其周圍的啞鈴狀雙極塵埃雲。來源：Jon Morse (University of Colorado) &NASAHubble Space Telescope
在宇宙空間中，光以有限的速度穿行傳播。在爆發發生的時候，一部分光直接朝著地球方向衝來，但也有一些同時從爆發現場「出發」的光卻選擇了其他方向和路徑，它們在星際塵埃中來回反彈，就像回聲一樣在延遲了許久後再次到達地球。正是這些遲來的光為天文學家們「重播」了當年事件的部分「精彩時刻」，在天文學上這種情況稱為回光（light echo）。就像郵寄過程中繞了遠路而晚到的信件一樣，關於這場爆發的線索在170多年後被天文學家發現了。
在托洛洛山美洲天文台（CTIO）的中等尺寸望遠鏡2003年起給出的可見光圖像中就可分辨回光的蹤跡。利用地基望遠鏡的最新觀測數據，天文學家發現這個在19世紀爆發過的遺迹正在以破紀錄的高速膨脹著，幾乎是天文學家們早期預計速度的20倍。研究團隊利用位於智利的拉斯坎帕納斯天文台麥哲倫望遠鏡和南雙子天文望遠鏡進行觀測，通過光譜分析得到了這些被高速拋出物質的膨脹速度。這些物質移動的速度高達8000千米/秒，這速度到底有多快呢，按這個速度從北京到上海只需要8秒左右。
研究人員表示，這顆疑似發生了大規模爆炸的恆星非常神秘地倖存了下來，而且還被觀測到了高速運動，對此最簡單的解釋就是從恆星釋放出來的衝擊波將物質加速到了這種高速的狀態。針對觀測數據顯示出的物質運動速度一點都不像是以往大質量恆星死亡前釋放的相對緩和的星風，而是更接近在超新星爆發事件中被爆震波噴出的超高速物質。相對於星風穩定地從外層吹走物質的解釋，恆星因爆發而噴發出物質顯得更符合目前給出的觀測結果。
圖2左邊是哈勃空間望遠鏡拍攝到的船底η星啞鈴狀雙極塵埃雲，右邊的是甚大望遠鏡拍攝的對應的紅外波段圖像。來源：ESO
目前，由亞利桑那大學圖森分校的內森·史密斯和巴爾的摩空間望遠鏡研究所的阿明·雷斯領導的團隊根據新的數據發表了論文，他們認為這場發生在宇宙中一百多年前的爆發事件是受了特定事件觸發才形成的。也許是三顆恆星之間的「推搡」引發了這次噴發事件：當時有三顆恆星在發生著相互作用，在這個過程中，一顆恆星就此毀滅，另外兩顆存活下來的恆星組成了一個新的雙星系統。在三者發生激烈地相互作用的最後，其中一顆恆星通過撕扯另一顆恆星，將超過10倍太陽質量的物質高速拋向了太空，用猛烈的爆發終止了這場「爭吵」。而被拋出的大量物質則形成了一個現今可見的超大啞鈴狀雙極瓣。
一般來說，大質量恆星演化過程的終點是在核心塌縮後形成中子星或者黑洞。天文學家能觀測到伴隨發生的超新星爆發及相關激波現象，與此同時恆星也不復存在。但在這次的事件中爆炸實際發生了，恆星卻倖存了下來，天文學家一開始就思考是因為爆炸能量還不夠大嗎？也許的確在恆星表面發生了一些猛烈的物質交換過程，使得其最後拋射出了外部殼層，但這些交換帶來的能量卻剛好不足以摧毀整個恆星。
兩顆恆星之間的併合或許也可以用來解釋這一現象？不過，根據船底η星的所有數據來看，很難構建出一個合適的模型。所以，研究團隊認為，還是三顆近鄰恆星的物質交換以及相互作用模型更能直接地解釋大量的觀測數據。由此往回倒推可以知道，現有能觀測到的雙星系統只能是來源於早期的三顆恆星。三顆近鄰恆星（恆星A、B、C）之間的密切影響和相互作用關係能較好地解釋為什麼目前雙星中較小的恆星（恆星A）會比更大的那顆（恆星B）更早地失去外層物質。
圖3船底η星系統演化過程示意圖。來源：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)，文字處理：馮翀
研究團隊推測，當時兩顆巨大的恆星A、B在比較緊密地相互繞轉，另一顆恆星C則在相對較遠處，當雙星系統中較大質量的恆星A演化到晚期時，它開始膨脹並把其大量的物質拋射到雙星中質量較小的恆星B表面。
於是，雙星中本來較小質量的恆星B開始膨脹，擁有了100倍太陽質量的物質，而且變得非常明亮。但原本拋出物質的較大質量的恆星A卻只剩下了30倍太陽質量的物質，被剝離了外部氫層後直接暴露在外的是其熱氦核。
在大質量恆星的演化晚期，熱氦核是個標誌性的特徵。基於目前天文學家對恆星演化的研究，可以肯定的是質量越大的恆星，演化越快，壽命越短。讓我們再來看這次現象中的這顆熾熱的伴星恆星A，它要比雙星中另一顆（恆星B）質量小不少，但卻似乎在演化過程中已經到了更後期的階段。對應已有的恆星演化理論來看，如果在此之前不發生一些物質轉移過程的話，將是無法解釋這個現象的。
恆星A和B之間物質的轉移一方面改變了原有系統的引力平衡狀態，另外也使這個氦核暴露在外的恆星A遠離了現在反而變得巨大的恆星B。在遠離的過程中，它接近了原本在更外圍的第三顆恆星（恆星C），並與之發生相互作用，把恆星C向內拉了不少。經過恆星C與後來變得較大的恆星B幾次近距離「接觸」後，這顆恆星與其重量級的夥伴發生了併合，產生了物質外流的過程。
在併合的初期階段，隨著恆星B和C相互繞轉著越來越近，噴出物也相對密集且膨脹速度緩慢。之後，當兩顆恆星最終碰到一起時就會發生爆發事件，此時噴出物的速度將會比之前快100倍。這些晚出發、但速度快非常多的「後來」噴出物將追趕上之前那些緩慢膨脹的物質，它們之間會再次發生猛烈地碰撞，從而加熱物質本身，同時使其發光。這些發光的物質就是一百多年前被觀測到的歷史性爆發場面的光源所在。
至此，那顆「減重」很多的恆星A還是沒有停下自己「招惹」別人的腳步，它又一次回到了較大恆星（恆星B）的身邊，開始了它的小小「搗亂」。兩者相互作用的最後結果是：恆星A——那顆較小的大約30倍太陽質量的氦核恆星——進入了橢圓軌道，每隔5.5年它就會穿越那顆大約90倍太陽質量的超大恆星（恆星B）啞鈴狀的外層氣殼，這種相互作用還會觸發X射線輻射，而兩者最近的距離大約在2.3億千米左右。
另一項研究發現，被船底η星加速的高能粒子正在以宇宙線的形式被地球上的觀測設備接收到。雖然研究人員之前就知道恆星爆炸的過程能將宇宙線粒子加速到光速的量級，但是這次觀測到的能量激增也是非常驚人的，這種量級的爆炸一定是發生在非常極端的環境中。這些高能粒子在到達地球之前受到了路途中各種磁場的影響，從而擾亂了它們最初的運動軌跡。
圖4船底η星系統中雙星的運動軌道示意圖。來源：維基百科，Lithopsian
戈達德航天中心的研究人員已經對這些周期性的低能X射線信號跟蹤觀測了20多年。此外，美國航天局的費米γ射線空間望遠鏡之前也一直在對船底η星方向上的一個源進行著更高能的γ射線波段觀測。只是費米γ射線空間望遠鏡不及X射線望遠鏡那麼靈敏，所以天文學家們還無法給出兩者存在關聯的證明。於是，研究人員又把目光轉向核分光望遠鏡陣，用其數據來填補低能X射線波段與費米γ射線空間望遠鏡數據間的空白。船底η星的低能X射線波段的輻射來自於星風相互碰撞時交界處超過4000萬攝氏度的高溫氣體。而根據核分光望遠鏡陣的觀測結果，研究人員認為高能X射線波段的輻射顯示出了與現存兩顆恆星軌道周期的相關性，也與費米γ射線空間望遠鏡得到的γ射線波段的能量輸出行為相似。
圖5天文學家從1999年前起就一直用錢德拉X射線天文台對船底η星進行觀測。這個雙星系統也一直在X射線波段給天文學家留下了許多蛛絲馬跡。圖中是X射線波段觀測到的船底η星，紅色表示低能X射線，藍色表示高能X射線，綠色表示介於兩者之間的中間能段的輻射。但從圖中可以看出，大部分的輻射集中在低能和高能X射線波段。來源：NASA/CXC/ GSFC/K.Hamaguchi, et al.
在宇宙中，中等質量的恆星較為常見，超大質量的恆星總是很稀有，這些珍貴的天體往往是天文學家對星系形成和演化中物理、化學過程進行研究的重要目標。而船底η星就是這樣一顆非常值得深入挖掘的天體。通過對船底η星物理過程更加深入的研究和分析，將幫助天文學家們進一步了解雙星、聚星之間錯綜複雜的相互作用，使我們更好地掌握大質量恆星的演化過程與意義非凡的死亡方式。
雖然目前來看船底η星十足是個超新星冒充者，但它的未來卻仍與超新星緊緊相關。作為距離地球並不遙遠（以天文距離尺度來看）的這個天體，很可能在不遠的將來（從天文時間尺度來看）發生超新星爆發。當它在大約一百萬年後發生爆發時，將為地球上的觀測者帶來比上次更加炫目的「閉幕秀」。
（責任編輯馮翀）
TAG:天文愛好者 |