恒星周圍的同心漣漪

今年 7 月，NASA 的韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）捕捉到了一個(gè)奇妙的宇宙景象：在兩顆恒星周圍，至少環(huán)繞著 17 個(gè)同心波紋。這一畫(huà)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(cè)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(kāi)了這一謎題。天文學(xué)家證實(shí)，這些同心環(huán)實(shí)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(shí)所產(chǎn)生的巨大塵殼。

WR140 雙星系統(tǒng)

WR140 是一個(gè)位于天鵝座的雙星系統(tǒng)，距離地球大約 5000 光年遠(yuǎn)。夏威夷的凱克天文臺(tái)（光學(xué)望遠(yuǎn)鏡）已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了近 20 年的觀測(cè)。

這個(gè)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(lán)超巨星組成。所有的恒星都會(huì)產(chǎn)生恒星風(fēng)，但來(lái)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(huì)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(yuǎn)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(huà)面右上角顯示了太陽(yáng)與這兩顆恒星的相對(duì)大小。O 型恒星的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的 30 倍，WR 型星的質(zhì)量大約是太陽(yáng)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(gè)為期 8 年的軌道周期上。每當(dāng)這兩顆恒星彼此靠近時(shí)，它們的恒星風(fēng)就會(huì)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(yuǎn)處延伸。

如此一來(lái)，這個(gè)雙星系統(tǒng)就像一個(gè)發(fā)條裝置一樣，每隔 8 年，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shù)木年輪一樣的畫(huà)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(lái)其他望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)描述了這些塵埃羽狀物的三維幾何的模型。這個(gè)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(guò)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(qiáng)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(dòng)量，它會(huì)對(duì)物質(zhì)施加被稱為輻射壓的推力。但是，想要觀測(cè)由星光引起加速度的過(guò)程是非常困難的，因?yàn)檫@種力會(huì)隨距離的增加而減弱。

通常，天文學(xué)家只通過(guò)物質(zhì)在宇宙中高速滑行來(lái)見(jiàn)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(cè)這種現(xiàn)象更是從未有過(guò)。若想實(shí)現(xiàn)這種觀測(cè)，物質(zhì)需要與恒星靠得相當(dāng)近，或者輻射壓的來(lái)源需要特別強(qiáng)。

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(cè)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(rèn)為的那樣，隨著恒星風(fēng)從恒星中噴射而出，然后形成一個(gè)朦朧的球；事實(shí)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(gè)錐形激波波前形成。因?yàn)槔@軌道運(yùn)行的雙星在不斷運(yùn)動(dòng)，激波波前也在旋轉(zhuǎn)，因此塵埃羽狀物就成了螺旋狀。

在沒(méi)有外力的情況下，每個(gè)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?yàn)樗麄儫o(wú)法讓觀測(cè)結(jié)果與模型相符，直到他們最終意識(shí)到，眼前看到的是一些新的東西：數(shù)據(jù)之所以不符，是因?yàn)?strong>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(cè)數(shù)據(jù)相匹配。

JWST 或?qū)?lái)更多信息

這是研究人員首次用相機(jī)捕捉到這種加速。能夠如此直接地觀測(cè)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(kāi)，它就像由塵埃制成的一張巨大風(fēng)帆。當(dāng)它捕捉到來(lái)自恒星的光子風(fēng)時(shí)，就像捕捉到了一陣強(qiáng)風(fēng)的游艇一樣，突然向前躍進(jìn)。

隨著已經(jīng)投入運(yùn)行的 JWST 將在未來(lái)拍攝到越來(lái)越多清晰的畫(huà)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(huì)為 WR 物理學(xué)的世界打開(kāi)一扇新的窗口。