那顆還沒炸完的星

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

那顆還沒炸完的星

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

船底座η在19世紀40年代的“大爆發”，造就了濃煙滾滾的沙漏形的侏儒星云。這里顯示的是哈勃太空望遠鏡拍攝的著名圖像。圖片來源：Nathan Smith/University of Arizona and NASA

何銳思（Richard de Grijs）北京大學科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學聯合會天文發展辦公室東亞分站負責人。

1838年到1845年間，天文學家注意到，在南天發生了一件不同尋常的事。之前并不顯眼的船底座η變得越來越亮，最終成為全天除天狼星之外最亮的恒星。20年后，它卻從人們的視野里消失了。天文學家稱這次事件為“（船底座η）大爆發”。這次事件向太空中噴出的氣體殼質量至少有太陽的10倍，甚至可能高達40倍。這些物質形成的一片沙漏形、充滿塵埃的云，被稱為“侏儒星云”（Homunculus Nebula），現在直徑已經有大約一光年，并且仍在以210萬千米/小時的速度繼續擴張。

是什么造成了這次爆發？19世紀的天文學家們是否見證了一次異樣的超新星爆炸？一顆恒星以災難性的爆炸結束了自己的生命？

“不盡然，”美國亞利桑那大學博士生米甘?齊明齊（Megan Kiminki）說，“我們說船底座η是一顆‘偽超新星’。雖然它噴出了大量的物質，變得非常明亮，但恒星本身還一直在那兒?！?/p>

科學家稱這種爆發為“偽超新星”事件，因為它們看上去跟超新星爆發很像，但在恒星本身完全毀滅之前停住了。事實上，到了20世紀中葉，船底座η的亮度又開始增加了。

仔細分析哈勃太空望遠鏡拍攝的船底座η的圖像，齊明齊和她的團隊驚奇地發現，“大爆發”只不過是船底座η系統自13世紀以來一系列大規模噴發中離我們最近的一次而已?？茖W家一直致力于弄清到底是什么造成了船底座這樣的恒星系統的爆發，而這項新發現，就像偵探故事里一把“硝煙還未散去的槍”一樣，將成為決定性的證據。

“從19世紀第一次爆發的報告到最近用先進的現代望遠鏡獲得的數據，船底座η一直令我們困擾，”同在亞利桑那大學的納坦?史密斯（Nathan Smith）說，“爆發背后的原因一直是最重要的未解之謎。而現在我們發現，在此之前還有好多次爆發。這有點像通過發掘古代巖漿的遺跡來重建一座火山的噴發史?！?/p>

盡管要看到熾熱如火的侏儒星云內部很不容易，但天文學家還是弄清楚了，船底座η是一個由兩顆大質量恒星組成的雙星系統，兩星互繞的周期為5年半。這兩顆子星都比太陽大得多，而且至少有一顆已經接近生命的終結。

“即使在不噴出星云物質的時候，它們也是非常不穩定的巨型恒星，”齊明齊說，“它們有著致密的核和非常稀薄的外層。如果把那顆較大的星放到我們太陽的位置（它的質量有太陽的90-100倍），它的表面肯定能延伸到火星軌道之外?！?/p>

船底座η系統中較大的子星是一顆即將走到生命盡頭的、巨大而不穩定的恒星。而19世紀天文學家觀測到的那次事件，就是它的一次“瀕死體驗”。

由于侏儒星云標志性的外觀，它成了很多天文項目觀測的目標。哈勃太空望遠鏡在20年間拍攝的共計8幅圖像，成了齊明齊與她的同事們寶貴的研究資源。

他們原本的觀測計劃是打算測量船底座星云中恒星和原恒星噴流（年輕恒星在形成過程中噴射出的物質流）的自行，但同樣的觀測數據也為測量船底座η本身噴出的碎片的運動提供了極大的方便。

擴張中的侏儒星云。圖片來源：APOD

箭頭顯示了在船底座η噴發物中觀測到的792個地方的自行。箭頭的顏色標記了從中央星噴出的年代。迄今我們只觀測到了一次噴發（紅色）。藍色和綠色的箭頭分別標記了13世紀中葉和16世紀中葉的兩次噴發。圖片來源：Kiminki et al./NASA

“當我對齊這些照片時，我發現其中有船底座η的那張很難對齊，”齊明齊說，“我們只能用不動的天體作為對齊的基準點，但我想，‘哇，這里面有好多東西真的在動?！谑俏覀儧Q定仔細看看?！?/p>

通過對齊不同時期拍攝的星云圖像，研究者得以追蹤船底座η在不同時期噴出的800多個氣體泡的運動，并反推出每一個噴發的可能日期。這項分析表明，侏儒星云和19世紀觀測到的增亮現象只是船底座η整個歷史的一部分而已。對噴出的物質束速度的測量顯示，它們來自兩次獨立的噴發，分別發生在大爆發之前600年和300年。

除了在時間上有不同的起源，這些較早的噴發物形成的幾何形狀也與侏儒星云不同。侏儒星云是從恒星的兩極噴出的，顯示出沿自轉軸對稱的形狀。

“我們發現其中一次早期的噴發跟侏儒星云的對稱性很相似，但它的對稱軸與大爆發的角度相差甚遠，”齊明齊解釋說，“更令人驚訝的是，最古老的那次噴發完全是單向的，這表明有兩顆星牽涉其中，因為一顆恒星幾乎不可能只向一個方向拋出物質?！?/p>

盡管不太好理解，這一發現卻是天文學家在認識船底座η頻繁噴發原因的道路上邁出的一大步。

“我們不知道船底座η上還要發生什么事，”齊明齊說，“但知道了船底座η至少噴發過三次，我們就知道，引起爆發的一定是一個再發性過程，因為要說每次爆發都是由不同的機制引起的，這不大可能?！?/p>

侏儒星云的3D模型。圖片來源：NASA Goddard’s Conceptual Image Lab

“即使我們仍然不能確定19世紀那次爆發背后的物理機制，現在我們至少知道，那不是個一次性的事件?！笔访芩拐f，“超大質量恒星如何死亡？我們的發現讓這一問題變得更加難解了，但它也是這一謎團中關鍵的一環。像船底座η這樣的恒星顯然不會就那么靜靜地在夜空中消逝?！?/p>

船底座η的爆發使我們得以一窺超大質量恒星生命最后的不穩定階段，這是十分難得的機會。研究超新星的學者劃分了一種超新星爆發的亞型，它們在瀕臨最終爆炸時，會經歷若干次劇烈的噴發。史密斯認為，船底座η可能就是這種恒星當中離我們最近的一個。

船底座η是在不遠的將來可能爆炸為超新星的恒星中離我們最近的幾顆之一（雖然天文學上“不遠的將來”可以延伸到10萬年或者更遠）。如果它真的爆發，從地球上將看到令人難忘的一幕，那將遠比它上一次噴發明亮得多。迄今發現的最明亮的超新星SN 2006gy，其前身恒星也是屬于這一類型，不過它位于2億光年遠的河外星系中。

與此同時，另一個獨立的天文研究團隊首次建立了“大爆發”產生的不斷擴張的星云——侏儒星云——的高分辨率三維模型。

“我們的模型表明，這個巨大的氣體-塵埃殼的起源比一般認為的要復雜?！泵绹詈骄指赀_德中心的托馬斯?馬杜拉（Thomas Madura）說，“這是第一次，我們看到星云中心雙星之間的相互作用，如何在星云形態的塑造中扮演至關重要的角色?！?/p>

借助歐洲南方天文臺（ESO）的甚大望遠鏡（VLT），這支團隊沿著92條橫跨星云的狹縫拍攝了近紅外、可見光和紫外三個波段的光譜，形成了迄今最完整的一幅光譜地圖。研究者利用這些光譜提供的位置和速度信息，制成了侏儒星云的第一個高分辨率全3D模型。

構建星云形狀的模型只用到了光譜中位于近紅外波段的一條來自氫分子云的發射線。隨著擴張中的氣體的運動速度和方向的不同，這條波長2.12微米的譜線會發生輕微的偏移。紅外線能夠穿透塵埃，因此，即使是星云中被塵埃遮住的、背向我們而去的氣體，研究者也能夠加以探測。

這個新的模型確認了先前研究得出的一些特征，例如在兩瓣云氣的末端存在明顯的空洞，以及在接近星云中央的、可見光波段可見的塵埃裙狀物的地方觀測不到氫分子的發射線。新確定的特征包括從云氣瓣接近塵埃裙的地方發出的有趣的臂狀突起物，以及蜿蜒于云氣瓣上的大而深的溝壑，還有云氣在背向地球一側出現的不規則的擴張。

“通過這項研究，我們要回答的一個問題是，侏儒星云上是否打著它中央雙星的烙印。因為之前的研究假定，它兩瓣的形狀多少是沿著長軸對稱的（這暗示只有一顆星參與了星云的形成），”研究組成員、瑞士日內瓦大學的天文學家約瑟?格羅（Jose Groh）解釋說，“而新確定的特征強烈地暗示，塑造了侏儒星云的是船底座η的兩顆星?！?/p>

現在讓我們來看看另一架太空望遠鏡得出的成果。作為錢德拉X射線天文臺17年前升空后的首批觀測目標之一，船底座η系統一直通過它發射的X射線向我們透露著有關它性質的線索。

這幅多波段圖像顯示了三架不同的望遠鏡在船底座η天區觀測到的結果。從左到右依次是：錢德拉X射線天文臺在X射線波段、哈勃太空望遠鏡在可見光波段和陸基的2MASS巡天項目在紅外波段拍攝的圖像。X射線圖像揭示出星云外圍一個馬蹄形的環狀結構、一個熾熱的內核以及一個熾熱的中央源?？梢姽鈭D像顯示出兩個巨大的泡狀結構從系統中心擴張而出，速度超過一百萬千米/小時。紅外波段的數據則表明船底座η是銀河系中最明亮的恒星系統之一。圖片來源：可見光，NASA/STScI；近紅外，2MASS/UMass/ IPAC-Caltech/NASA/NSF

“錢德拉”拍攝的船底座η的X射線圖像。圖片來源：ASA/CXC/GSFC/ K.Hamaguchi et al.

天文學家試圖了解船底座η系統兩顆子星以及它們相互作用的情況。其中較大的一顆子星，它的物質正通過超過100萬千米/小時的恒星風快速地流失。即使沒有“大爆發”的清洗，由于本身極高的物質流失速率，它的質量也將在千年之后降到和太陽差不多的水平。

船底座η的伴星，盡管比它的伙伴要小一些，但仍然是一顆大質量恒星，大約有30倍太陽質量。它的物質流失速率約是前一顆的百分之一，不過比起其他大多數恒星來，它的質量損失速度也很可觀了。不過，這顆伴星倒是在星風的速度上打敗了主星，它的星風速度幾乎是主星的十倍。

侏儒星云的最新模型顯示出氫分子發射區上的突出物、溝壑和不規則的特征。突出物出現在星云中央、可見光波段下可以看見的塵埃裙附近（見中圖）。但在氫分子發射的研究中，塵埃裙并沒有出現。因此它們被認為是不同的結構。圖片來源：NASA Goddard; inset: NASA, ESA, Hubble SM4 ERO Team

當這樣兩陣高速而有力的恒星風迎面相撞，它們會形成一個弓形的激波面（類似超音速飛機產生的音爆），而激波會加熱兩星之間的氣體。當這些氣體的溫度達到1000萬度，它們就會發出“錢德拉”可以探測到的X射線。當兩顆星運行到最接近時，伴星發出的較快的星風會在主星致密但是較慢的星風中“鑿”出一條隧道。這個口子張開的角度跟云氣瓣上溝壑的長度（130度）和臂狀突起物的角度（110度）相當吻合，這就是說，大爆發時期兩星運行到近點附近時發生的相互作用，在侏儒星云上打下了印記。

在“錢德拉”拍攝的船底座η圖像中，低能X射線用紅色、中能X射線用綠色、高能X射線用藍色表示。圖中藍色的點源是由碰撞的星風引起的，而彌散的藍色發射區則是大爆發噴出的物質對這些X射線的漫反射。更遠處的低能X射線顯示出兩星的星風，或者也可能是大爆發噴出的物質，與周圍的物質碰撞的情況。這些周圍的物質也許是來自大爆發之前的若干次噴發。

船底座η系統的一個有趣的特征是，它的兩顆子星是在非常扁而長的橢圓軌道上，以5年半為周期互相繞轉的。因此，兩顆星在軌道不同位置上時，它們之間的距離可以相差20倍。這樣一條橢圓形的軌道，就為天文學家研究兩星的星風在不同距離相撞時會發生什么，提供了難得的機會。

在整條軌道的大部分地方，X射線在“頂點”（apex）處，也就是恒星風迎面相撞的地方最強。但是，當兩顆星處在軌道上距離最近的位置——天文學家稱為“近點”（periastron）——時，X射線出乎意料地減弱了。此時，船底座η的兩顆巨大而明亮的子星之間的距離，跟火星到太陽的平均距離相當。

為了理解X射線在近點減弱的原因，天文學家用“錢德拉”對船底座η進行了觀測。人們得到了船底座η中相撞的星風發出的X射線的首幅細節圖像。研究表明，兩星運行到近點處，頂點位置發出的X射線會減弱，其部分原因在于，頂點處發出的X射線被主星發出的致密的星風，或者主星本身的表面遮住了。（別忘了，主星本身就有火星軌道那么大?。┝硪粋€造成X射線減弱的因素是，兩星運行到近點附近時，兩星之間的激波看來遭到了破壞：這也許是因為密度增加后，氣體的冷卻變得更快了；又或許是由于主星強烈的紫外輻射降低了伴星星風的強度。

船底座η發出的光，要經過7000年才能傳到地球。當我們看到這7000年前發出的光時，也許更多的事已經發生了?！耙苍S現在船底座η已經成了一顆超新星，不過我們只有再等7000年才能知道了?！饼R明齊說。

（責任編輯 馮翀）

這是超新星的前兆嗎？圖片來源：NASA/ESA