當太陽的壽命到了盡頭,恆星死亡時會發生什麼事?

當太陽的壽命到了盡頭,恆星死亡時會發生什麼事?
Photo Credit: BBC News

我們想讓你知道的是

關於太陽最後的活動還有很多未知。例如,儘管木星不是恆星,但它仍然足夠大,可以吸引來自太陽的物質,並為吸積盤提供能量。科學家說,「我認為木星會形成一個非常小的螺旋。即使在我們的模擬中,你也可以看到它對太陽風的影響。」如果是這樣,那麼我們的太陽也可能會有一個華麗的謝幕。

數十億年之後,當太陽的壽命接近盡頭,其核心的氦核開始融合,它將急劇膨脹,變成所謂的紅巨星。在吞併了水星、金星和地球之後,它會變得非常大,以至於不能再吸住最外層的氣體和塵埃。

在輝煌的結局中,它將把這些外層彈射到太空中,形成一個美麗的光幕,這些光幕將像霓虹燈一樣發光數千年,然後消失。

銀河系中散布著成千上萬個這樣絢爛的遺跡,被稱為行星狀星雲。對於那些質量從太陽的一半到太陽八倍不等的恆星來說,這是正常的結束階段。質量更大的恆星的結局要劇烈得多,那種爆炸被稱為超新星。

行星狀星雲有著令人驚嘆的各種形狀,如南方蟹狀星雲(Southern Crab)、貓眼星雲(Cat's Eye)和蝴蝶星雲(Butterfly)。雖然它們很美麗,但對天文學家來說也是一個謎。蝴蝶星雲是如何從一顆紅巨星看似平淡無奇的圓形繭中出現的呢?

現在,觀測和計算機模型都給出了一個30年前看起來很奇怪的解釋:大多數紅巨星都有一個小得多的伴星隱藏在它們的引力中。這第二顆恆星通過這個過程塑造成行星狀星雲,就像陶工在轉盤上塑造器皿一樣。

NASA’s_Webb_Captures_Dying_Star’s_Final_
Photo Credit: National Aeronautics and Space Administration@Wiki Public Domain

在上圖的左邊,一幅近紅外圖像顯示了壯觀的南環星雲(Southern Ring Nebula)的氣體同心殼,這是一個位於船帆座(Vela)中,距地球大約2500光年遠的行星狀星雲。這些殼記錄了垂死恆星爆發的歷史。

在右邊,一張中紅外圖像很容易地將星雲中心垂死的恆星(紅色)和它的伴星(藍色)區分開來。星雲中所有的氣體和塵埃都被那顆紅色的恆星驅散了。

巨殼

以前行星狀星雲形成的主導理論只涉及一顆恆星——紅巨星本身。由於外層只有微弱的引力作用,它在生命末期非常迅速地流失質量,每世紀流失1%。它還像一鍋沸騰的水一樣在表面下攪動,導致外層脈衝進出。

天文學家的理論認為,這些脈動產生的衝擊波會將氣體和塵埃噴射到太空中,形成所謂的恆星風。然而,要將這些物質完全排出而不落回恆星,需要耗費大量的能量。它不能是溫和的風,這種風需要有火箭爆炸的強度才能形成噴射。

恆星的外層逃逸後,小得多的內層坍縮成一顆白矮星。這顆恆星比原來的紅巨星更熱、更亮,它照亮並加熱了逸出的氣體,直到氣體開始自己發光——於是我們看到了一個行星狀星雲。整個過程在天文學的標凖下是非常快的,但在人類的標凖下是緩慢的,通常需要幾個世紀到幾千年。

華盛頓大學(University of Washington)的天文學家布魯斯・巴里克(Bruce Balick)說,在哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)於1990年使用之前,「我們非常確定是循著正途」了解這一過程。

然後他和他的同事,紐約羅徹斯特大學(University of Rochester)的亞當・法蘭克(Adam Frank),在奧地利的一次會議上看到了哈伯第一張行星狀星雲的照片。「我們出去喝咖啡,看到了照片,我們知道研究路徑已經改變了。」巴里克說。

天文學家假設紅巨星是球形對稱的,圓形的恆星應該產生圓形的行星狀星雲。但這不是哈伯看到的——甚至不是近距離的。「很明顯,許多行星狀星雲都有奇異的軸對稱結構,」羅徹斯特理工學院(Rochester Institute of Technology)的天文學家喬・卡斯特納(Joel Kastner)說。哈伯揭示了奇妙的葉狀體、翅膀和其他結構,它們不是圓形的,但圍繞著星雲的主軸對稱,就像在陶工轉盤上轉動一樣。

837px-Southern_Crab_Nebula_overview
Photo Credit:

在上面這張由哈伯太空望遠鏡拍攝的圖片中,南蟹狀星雲(Southern Crab Nebula)並不是有四條腿,而是有兩個氣泡。氣泡的中心顯示了兩個帶「結」的氣體噴流,當它們遇到恆星之間的氣體時可能會發光。

南蟹位於距離地球幾千光年的半人馬座,似乎發生過兩次氣體釋放事件。大約5500年前的一次事件創造了外部的「沙漏」,2300年前的一次類似事件創造了內部的一個小得多的沙漏。

隱藏的同伴

巴里克和法蘭克2002年在《天文學與天體物理學年度評論》(Annual Review of Astronomy and Astrophysics)上發表的一篇文章談及,當時關於這些結構起源的爭論。一些科學家提出,軸對稱源於紅巨星的旋轉方式或其磁場的表現,但這兩種想法都未能通過一些基本的測試。隨著恆星變大,旋轉和磁場都應該變得更弱,但紅巨星的質量損失率在它們生命的最後加速。

另一種說法是,大多數行星狀星雲不是由一顆恆星形成的,而是由一對恆星形成的——悉尼麥考瑞大學(Macquarie University)的天文學家奧蘇拉・德馬爾科(Orsola De Marco)將其命名為「雙星假說」。

在這種情況下,第二顆恆星要比紅巨星小得多,亮度要低幾千倍,可能就像木星離太陽那麼遠。因此它在足夠遠的距離內破壞這顆紅巨星,而不會被吞噬。(其他的可能性也存在,比如俯衝接近軌道,在這個軌道上,第二顆恆星每隔幾百年就會接近這顆紅巨星,從它身上剝落一層殼。)

雙星假說很好地解釋了一顆垂死恆星變形的第一階段。當伴星將塵埃和氣體從主恆星拉離時,它們不會立即被吸入伴星,而是在伴星的軌道面上,形成一個旋轉的物質盤,稱為吸積盤。這個吸積盤就彷彿是制陶輪。如果圓盤有磁場,它將推動任何帶電氣體離開圓盤平面,並朝向旋轉軸。