70億年後，垂死太陽刮什麼風？

2020-09-26 科學網

作者：唐鳳

恆星風也有美麗形狀。圖片來源：L. Decin, ESO/ALMA

像環、像啞鈴、像貓眼，甚至像愛斯基摩人……行星狀星雲有著千奇百怪的形狀。

通常，恆星也會「刮」風，這些恆星風及高能輻射可以形成「泡泡雲」，而當質量較小的恆星進入晚年後，它們會緩慢釋放外層氣體至恆星風，最終形成行星狀星雲。但一直以來，人們普遍認為，恆星風是球形的。

天文學家對圍繞老化恆星的恆星風進行了觀察，發現恆星風並不是球形的，而是類似於行星狀星雲。他們得出結論，與伴生恆星或系外行星的相互作用，形成了「千姿百態」的恆星風和行星狀星雲。研究結果近日發表在《科學》上。

「我們注意到這些風不是對稱的，也不是球形的，其中一些與行星狀星雲非常相似。」論文通訊作者、比利時魯汶大學天文學家Leen Decin說，「我們的發現會導致很大變化。由於沒有考慮到恆星風的複雜性，以往對老恆星質量損失率的估計可能出現10倍的誤差。」

相伴而行

行星狀星雲實質上是一些垂死的恆星拋出的塵埃和氣體殼。瀕死的恆星膨脹並冷卻，最終成為紅巨星，而它們產生的恆星風（排出的粒子流）使其失去質量。由於缺乏詳細的觀測，天文學家一直假設這些風是球形的，就像它們環繞的恆星一樣。隨著恆星進一步演化，它再次升溫，恆星輻射導致不斷膨脹的拋射物質層發光，從而形成行星狀星雲。

1777年，英國天文學家Friedrich Wilhelm Herschel發現了行星狀星雲。觀察顯示，行星狀星雲有纖維、斑點、氣流和小弧等複雜結構。這些星雲似乎都有一定的對稱性，但幾乎從來不是圓的。

《中國科學報》從魯汶大學獲悉，Decin團隊識別出了恆星風的不同形狀。「一些恆星風是盤狀的，另一些是螺旋狀的，在第三組中，我們確定了錐形體。這清楚地表明，這些形狀不是隨機出現的。」該團隊意識到，其他低質量恆星甚至是垂死恆星的重行星造就了不同的模式。但這些伴星太小太暗，無法直接探測到。

「就像往一杯咖啡裡倒入牛奶，然後用勺子攪拌，可以做出一個螺旋狀圖案，這顆伴星在圍繞恆星旋轉的過程中吸收了物質，形成了恆星風。」Decin解釋說。

研究小組將這一理論應用到模型中，結果確實如此，恆星風的形狀可以由環繞它們的伴星來解釋，而由於恆星風的作用，演化恆星失去質量的速率是一個重要參數。Decin告訴《中國科學報》：「我們所有的觀測結果都可以用恆星有伴星來解釋。」

到目前為止，關於恆星演化的計算都是基於這樣的假設：衰老恆星擁有球狀的恆星風。因此，之前對老恆星質量損失率的估計可能存在錯誤。該團隊正在做進一步研究，看看這將如何影響對恆星和星系演化其他關鍵特徵的計算。

70億年後

這項研究還有助於人們想像太陽在70億年後死亡時的樣子。太陽最終會變成一顆像撞球一樣圓的紅巨星，那它會產生什麼形狀的恆星風呢？

研究人員認為，木星甚至土星——因為它們的質量是如此之大——將會影響太陽在其生命最後幾千年裡是在螺旋狀、蝴蝶狀還是其他迷人形狀的中心裡度過。他們的計算表明，一個微弱的螺旋將會在垂死太陽的恆星風中形成。

這項研究是 ATOMIUM計劃的一部分，後者旨在了解更多關於老恆星的物理和化學知識。「老化的恆星被認為是無趣、古老和簡單的，但我們現在證明不是這樣：它們講述了之後的故事。我們花了一些時間才意識到，恆星風可以有玫瑰花瓣的形狀。正如《小王子》中所說，『正是你花費在玫瑰上的時間才使得你的玫瑰花珍貴無比』。」Decin說。

「當得到和分析第一批圖像時，我們非常興奮。」該研究合作者Miguel Montarges說，「每一顆星星，以前只是一個數字，現在變成了一個個體。對我們來說，它們有了自己的身份。這就是高精度觀測的魔力：恆星不再只是點。」

技術的魔力

這裡，Decin團隊利用世界上最大的射電望遠鏡——智利的 ALMA望遠鏡，觀測了冷卻紅巨星周圍的恆星風。藉助該設備，科學家有史以來第一次收集了如此大量的詳細觀察數據，每一次都是用完全相同的方法進行觀測的。研究人員表示，這對於直接比較數據並排除偏見至關重要。

這就是Montarges所說的高精度觀測技術的力量。

美國宇航局戈達德太空飛行中心宇宙學家Peter Kurczynski在一篇論文中寫道，自從現代天文學誕生以來，更好的觀測技術使人們能夠更好地了解宇宙。例如，Tycho Brahe在1609年前後對行星進行了肉眼觀察，精確到大約0.1度。Johannes Kepler的計算證實了地球繞太陽旋轉，行星軌道是橢圓的。在現代，美國國家科學基金會（NSF）雷射幹涉引力波天文臺能測量到直徑小於原子的目標的運動。這種非凡的精確度使引力波得以發現，並誕生了引力波天文學的一個新領域。

9月21日發表在《天文望遠鏡、儀器和系統期刊》上的這項研究也指出，政府對新技術的資助對天文學至關重要。這項研究追蹤了NSF早期種子基金的長期影響。在過去的30年裡，天文學的許多關鍵進展都直接或間接得益於這種早期種子基金。

論文作者、戈達德太空飛行中心宇宙學家Peter Kurczynski說，技術和儀器研究的影響是長期的，它「使觀測宇宙的新方法成為可能，這在以前是不可能的」。研究人員還發現，由技術和儀器產生的論文被引用的頻率與那些由純科學研究產生的論文相同。印第安納大學助理教授Stasa Milojevic告訴記者，「儀表科學家」寫的論文的影響力與不依靠設備的同事相同。

同樣值得注意的是，NSF資助研究發布的論文，比一般天文學文獻更經常被引用。這被認為是NSF在擇優審查過程中確立的黃金標準，以選擇有前景的研究進行資助。

評審專家認為，這篇文章是任何想要了解天文技術突破歷史的人的首選。更好的觀測總是能提高人們對宇宙的理解。從中世紀現代天文學誕生到今天，天文學家依靠不斷湧現的新技術來揭示夜空的細微細節。

相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1126/science.abb1229

http://dx.doi.org/10.1117/1.JATIS.6.3.030901

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