數(shù)十億年后，當(dāng)我們恒星太陽走向生命盡頭時(shí)，太陽中心的氦核會(huì)開始聚變。隨后，太陽急劇膨脹，變成一顆紅巨星。當(dāng)它輕而易舉地吞下水星、金星和地球后，會(huì)膨脹得如此巨大，大到無法再留住最外層的氣體和塵埃。
在一場(chǎng)絢麗的落幕中，太陽會(huì)將最外層的氣體和塵埃拋射到太空中，形成一層霓虹燈般的美麗光帷，繼續(xù)發(fā)光數(shù)千年，然后逐漸熄滅。
銀河系中點(diǎn)綴著成千上萬朵這種如寶石般光芒四射的紀(jì)念物，即行星狀星云。這些垂死恒星的質(zhì)量范圍在太陽質(zhì)量的一半到八倍之間。質(zhì)量更大的恒星消亡過程會(huì)更加劇烈，形成我們所說的超新星爆炸。行星狀星云的形狀千奇百怪，令人驚嘆，正如南蟹狀星云、貓眼星云和蝴蝶星云的名字所暗示的那樣。這些星云雖然美麗炫目，但卻一直是天文學(xué)家心中的未解之謎。那么，一只絢麗的宇宙蝴蝶是如何從一顆平平無奇的紅巨星中破繭而來的呢？
觀測(cè)資料和計(jì)算機(jī)模型都指向同一個(gè)解釋，這個(gè)解釋或許在 30 年前看起來頗為荒謬，那就是，大多數(shù)紅巨星的引力范圍內(nèi)藏著一顆遠(yuǎn)比它的個(gè)頭小得多的伴星。正是這顆伴星塑造了行星狀星云千奇百怪的形狀，就像陶匠在陶輪上塑捏陶器那樣。
先前關(guān)于行星狀星云形成的主要理論都是圍繞單顆恒星的，僅研究了紅巨星本身。由于紅巨星對(duì)其外層物質(zhì)的引力微弱，因此，在消亡的最后階段，紅巨星會(huì)迅速失去質(zhì)量，每一百年損失的質(zhì)量多達(dá)總質(zhì)量的 1%。紅巨星表層之下，像一壺?zé)_的滾水，翻流涌動(dòng)，導(dǎo)致其最外層脈動(dòng)收縮與膨脹。天文學(xué)家推測(cè)這些脈動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波會(huì)將氣體和塵埃噴射到太空中，形成我們常說的“星風(fēng)”。然而，要完全排出這些物質(zhì)，避免它們?cè)俅螇嬋牒阈牵瑒t需要大量能量。星風(fēng)有著火箭噴射般的巨大力量，絕不是一陣輕柔的微風(fēng)。
紅巨星的外層逃逸后，其較小的內(nèi)層會(huì)坍縮成白矮星。坍縮后形成的白矮星甚至比原來的紅巨星更熱更亮。白矮星繼續(xù)照亮并加熱逃逸的氣體，直到氣體自身發(fā)光，進(jìn)而形成我們平時(shí)看到的行星狀星云。以天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來看，整個(gè)過程其實(shí)非常迅速；但以人類標(biāo)準(zhǔn)來看，這個(gè)過程就很緩慢，通常要耗上幾個(gè)世紀(jì)甚至幾千年的時(shí)間。
直到 1990 年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，華盛頓大學(xué)的天文學(xué)家布魯斯?巴利克（Bruce Balick）說道：“我們很有把握能理解這整個(gè)過程?！比缓?，他和他來自紐約羅切斯特大學(xué)的同事亞當(dāng)?弗蘭克（Adam Frank）在奧地利參加了一個(gè)會(huì)議，并在會(huì)議上看到了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一批行星狀星云的照片。“我們出去喝咖啡的時(shí)候，一看到這些照片，就知道情況完全變了?！卑屠苏f道。
天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，紅巨星是球?qū)ΨQ的。那么，一個(gè)圓形的恒星按理說應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓形的行星狀星云。但是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的情況卻大相徑庭?！?strong>許多行星狀星云明顯具有異乎尋常的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)?！眮碜粤_切斯特理工學(xué)院的天文學(xué)家喬爾?卡斯特納（Joel Kastner）如是說。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍到了奇異的的瓣?duì)睢⒊釥畹绕渌螤畹慕Y(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)并非圓形，而是圍繞星云的主軸對(duì)稱，就像是在陶匠的輪盤上轉(zhuǎn)著捏出來的一樣。
2002 年，布魯斯?巴利克和亞當(dāng)?弗蘭克在在《天文學(xué)和天體物理學(xué)年評(píng)》（Annual Review of Astronomy and Astrophysics）上發(fā)表了一篇文章，來記錄當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們對(duì)于上述結(jié)構(gòu)的起源的辯論。一些科學(xué)家認(rèn)為，這種軸對(duì)稱性是由紅巨星的旋轉(zhuǎn)方式或磁場(chǎng)造成的，但這兩種想法都經(jīng)不起一些基礎(chǔ)的檢驗(yàn)。因?yàn)楫?dāng)恒星膨脹時(shí)，無論是旋轉(zhuǎn)還是磁場(chǎng)，按理說都應(yīng)該同步減弱。然而，紅巨星質(zhì)量損失的速率在其消亡的最后階段卻變得越來越快。
還有一種假說就是：大部分行星狀星云并不是由一顆，而是由一對(duì)恒星形成的。來自悉尼麥考瑞大學(xué)的天文學(xué)家奧索拉?德馬科（Orsola De Marco）稱之為“雙星假說”。在這種情況下，第二顆恒星比紅巨星小得多，亮度比紅巨星暗上千倍，照地球和太陽的距離與木星一樣遠(yuǎn)。因?yàn)閮烧唛g的距離足夠遠(yuǎn)，這樣一來，第二顆恒星就可以在不會(huì)被吞噬的情況下干擾紅巨星。（當(dāng)然還有其他可能性存在，比如俯沖軌道假說，即第二顆恒星每隔幾百年就會(huì)接近紅巨星，從中剝離出一層物質(zhì)。）
雙星假說很好地解釋了垂死恒星的第一個(gè)轉(zhuǎn)變階段，即：當(dāng)伴星將塵埃和氣體從主星上吸走時(shí)，這些物質(zhì)并不會(huì)立即被吸入伴星，而是形成一個(gè)由物質(zhì)構(gòu)成的轉(zhuǎn)盤，也就是伴星軌道平面上形成的吸積盤。這個(gè)吸積盤就像是陶匠的轉(zhuǎn)盤一樣。如果盤中帶磁場(chǎng)，就能把任何帶電氣體推出盤面，并朝著旋轉(zhuǎn)軸的方向推進(jìn)。但是，即使吸積盤不帶磁場(chǎng)，盤中的物質(zhì)也會(huì)阻礙軌道平面上的氣體向外流動(dòng)，從而使氣體呈現(xiàn)出雙葉狀結(jié)構(gòu)，加快氣體流向兩極的速度。這正是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在行星狀星云的圖像中所看到的情況。“如果假設(shè)存在一顆伴星就能很好地解釋這一現(xiàn)象，那么我們還為什么要尋找一個(gè)更加復(fù)雜的解釋呢？”德馬科說道。
然而，由于無法探測(cè)到伴星，一些天文學(xué)家并不認(rèn)可雙星假說。2020 年，比利時(shí)魯汶大學(xué)的天文學(xué)家琳?德辛（Leen Decin）寫道，一位著名的天體物理學(xué)家告訴她：“你知道嗎，琳，這一切看起來太夢(mèng)幻了，觀測(cè)結(jié)果太迷人了?，F(xiàn)有的先進(jìn)模型已經(jīng)能夠很好地解析數(shù)據(jù)了。但究根結(jié)底，我們還是應(yīng)該只相信實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)嗎？”
然而，在過去的 10 到 15 年里，形勢(shì)穩(wěn)步逆轉(zhuǎn)。新型創(chuàng)新望遠(yuǎn)鏡揭示了紅巨星在變成行星狀星云之前的狀況。望遠(yuǎn)鏡捕捉到的畫面顯示，一些紅巨星周圍環(huán)繞著漩渦結(jié)構(gòu)和吸積盤。這正如存在第二顆恒星從紅巨星上吸取物質(zhì)的假設(shè)預(yù)期的那樣。在某幾次探測(cè)中，天文學(xué)家甚至可能早已偵測(cè)到了伴星本身。
德辛和她的同事們尤其依賴于智利的阿塔卡馬大型毫米 / 亞毫米波陣 (ALMA) 來偵測(cè)，該設(shè)備于 2011 年開始運(yùn)行。ALMA 由 66 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成，這些望遠(yuǎn)鏡協(xié)同作業(yè)，呈現(xiàn)出天體的圖像。德辛表示：“ALMA 提供的圖像不僅涵蓋范圍廣，而且光譜分辨率很高。因此能幫助人們理解天文動(dòng)力學(xué)和速度。”對(duì)于科學(xué)家來說，速度是解析星風(fēng)和吸積盤難題的關(guān)鍵。
ALMA 觀測(cè)到了十多顆紅巨星周圍的漩渦形或弧形結(jié)構(gòu)，幾乎可以確定，這就是紅巨星散發(fā)的物質(zhì)，并向這些物質(zhì)正朝著伴星螺旋運(yùn)動(dòng)。這些漩渦結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果高度吻合，并且舊有的星風(fēng)模型無法解釋這一現(xiàn)象。在 2020 年的《科學(xué)》（Science）雜志上，德辛發(fā)表了初步研究結(jié)果。又過了一年，德辛在《天文學(xué)和天體物理學(xué)年評(píng)》中進(jìn)一步討論了這一結(jié)果。
此外，德辛的團(tuán)隊(duì)在 ALMA 的圖像中發(fā)現(xiàn)了之前探測(cè)不到的兩顆紅巨星的伴星，即 P1 Gruis 和 L2 Puppis。為了確認(rèn)這一發(fā)現(xiàn)，她需要監(jiān)測(cè)它們一段時(shí)間，看看這些新發(fā)現(xiàn)的物體是否圍繞主星運(yùn)動(dòng)。“如果它們確實(shí)圍繞主星運(yùn)動(dòng)，那么我相信我們找到的就是伴星?！钡滦琳f道。該發(fā)現(xiàn)或許能夠說服那些質(zhì)疑雙星假說的人。
天文學(xué)家就像犯罪現(xiàn)場(chǎng)的偵察人員一樣，收集到了行星狀星云形成前和形成后的快照。但是，他們還缺一套像閉路電視錄影帶那樣的證據(jù)。那么，天文學(xué)家有沒有希望捕捉到紅巨星變成行星狀星云的全過程呢？
迄今，計(jì)算機(jī)模型是唯一一種能夠從頭到尾地展現(xiàn)這個(gè)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)世紀(jì)的過程的工具。該模型幫助天文學(xué)家理解了這個(gè)戲劇性的過程，即：伴星長(zhǎng)時(shí)間繞主星運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后在潮汐力的作用下逼近，并最終被吸入主星。“當(dāng)伴星朝著紅巨星的核心的方向進(jìn)行螺旋式運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)釋放出巨大的引力能?！备ヌm克說道。計(jì)算機(jī)模型顯示，引力能極大地加速了恒星外層物質(zhì)剝落的進(jìn)程，將整個(gè)過程縮短到一到十年。如果該過程屬實(shí)，且天文學(xué)家知道觀測(cè)點(diǎn)在哪的話，那么他們就可以實(shí)時(shí)目睹一顆恒星的死亡及行星狀星云的誕生。
一個(gè)值得關(guān)注的候選觀測(cè)對(duì)象是長(zhǎng)蛇座 V（V Hydrae）。這顆紅巨星非常活躍，每隔 8.5 年就會(huì)向兩極噴射出子彈般的等離子團(tuán)塊。并且，在最近的 2100 年里，它還在赤道面上噴發(fā)出了六個(gè)大環(huán)。在四月份，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家拉夫溫德拉?薩哈伊 (Raghvendra Sahai) 發(fā)表了有關(guān)這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。他認(rèn)為，這顆紅巨星的伴星不只一個(gè)，而是有兩個(gè)。一顆位于紅巨星附近的伴星可能已經(jīng)蹭到了紅巨星的包層，產(chǎn)生了等離子噴發(fā)。與此同時(shí)，另一顆距離稍遠(yuǎn)一點(diǎn)兒的伴星，在一次次俯沖軌道運(yùn)動(dòng)中噴發(fā)，產(chǎn)生了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。如果情況屬實(shí)，那么長(zhǎng)蛇座 V 或許即將吞噬離它更近的那顆伴星。
那么，我們的太陽最終又會(huì)怎樣走向終結(jié)呢？對(duì)于雙星的研究似乎與太陽的命運(yùn)毫無瓜葛，因?yàn)樘柺且活w孤獨(dú)的恒星。德辛估計(jì)，有伴星的恒星失去質(zhì)量的速度大約是沒有伴星的恒星的 6 到 10 倍，這是因?yàn)榘樾悄苡行У貛椭t巨星剝離外殼層，比單顆紅巨星自己剝落殼層的速度快多了。
這意味著科學(xué)家測(cè)得的攜有伴星的恒星的數(shù)據(jù)無法可靠地預(yù)測(cè)無伴星的恒星的命運(yùn)，如太陽。大約有一半和太陽大小差不多的恒星都攜有伴星。德辛認(rèn)為，伴星從始至終地影響著星風(fēng)的形狀。并且如果伴星足夠接近恒星的話，那么將極大地加速恒星質(zhì)量損失速率。比起其他恒星，太陽最有可能更慢地噴射出外殼層，停留在紅巨星階段的時(shí)間會(huì)久上好幾倍。
但是，太陽在消亡之際的活動(dòng)具體如何，仍是未解之謎。例如，盡管木星不是恒星，但它仍然可能足夠重，以至于能夠吸引太陽的物質(zhì)并形成一個(gè)吸積盤。德辛表示：“我想我們將會(huì)看到木星形成一個(gè)非常小的螺旋結(jié)構(gòu)。即便在我們的計(jì)算機(jī)模擬中，你也可以看到木星對(duì)太陽風(fēng)的影響?！比绻媸沁@樣的話，那么我們的太陽也可能會(huì)迎來一場(chǎng)炫麗的落幕。
作者：Dana Mackenzie
翻譯：邊穎
審校：K.Collider（
原文鏈接：A dying star’s last hurrah
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Dana Mackenzie
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