16年的宇宙之謎被解開,揭曉恆星缺失的環節

文章簡介:盡心盡力16年的探索,終於解釋了恆星缺失環節的奧祕。它和星系繞有類似,它是一個巨大的微弱氣體團,其中心有一顆恆星,並且其中含有大量高能粒子。猶如一隻大眼睛。

藍色環星雲是由兩個膨脹的錐形氣體組成,這些氣體由恆星合併後噴射到空間中。隨著氣體的冷卻,它形成了氫分子,氫分子與星際空間中的粒子產生碰撞,從而使氫分子們放射出遠紫外線。我們用肉眼是無法看到這樣的色彩的,但這裡顯示為藍色。

美國航天局/JPL-加州理工學院/M: NASA/JPL-Caltech/M. Seibert(卡內基科學研究所)/K. Hoadley(加州理工學院)/GALEX團隊

令科學家困惑了十多年的藍色環星雲,似乎是兩顆已知的恆星合二為一的最年輕例子

2004年,美國宇航局(NASA)的科學家們通過GALEX星系演化探測器在銀河系中發現了一個他們之前所從未見過的物體:一個大而微弱的氣狀球體,並且在其中心有一顆恆星存在。在GALEX的圖像中,這個小球是藍色的,雖然它實際上並沒有發出人眼可見的光。因為在接下來的的觀測中,發現有一個厚的環狀結構在它的內部。所以團隊給它起了個綽號叫 “藍色環星雲”。在接下來的16年裡,他們用多臺地基和天基望遠鏡對它進行了研究。但了解得越多,它看起來就越神祕。

11月18日發表於《自然》線上雜誌上的一項新研究可能對這一案例的研究有了新的突破。通過使用尖端的理論模型將已收集的,關於這個天體的大量資料中應用於其中,作者認為這個星雲,也就是太空中的一團氣體,很可能是由兩顆恆星的碎片組成的,由於這兩顆恆星發生了碰撞併合並,所以成了一顆恆星。

藍色環星雲是由兩個空心的圓錐狀碎片雲組成,它們以相反的方向遠離中心恆星。並且其中一個圓錐體的底部幾乎是直接朝地球方向移動的。因此,天文學家在觀察這個星雲時,會看到兩個部分重疊的圓環。

資料來源:Mark Seibert

資料來源:Mark Seibert

雖然恆星系統的合併被認為是相當常見的,但它們在形成後幾乎無法立即進行研究,因為它們會被碰撞所產生的碎片掩蓋。一旦碎片散去,至少是在幾十萬年以後了,那時它們會變得很難辨認,因為它們會變的很像非合併的恆星。藍色環星雲似乎是缺失的環節:天文學家會在合併後幾千年才看到這個恆星系統, 並且合併的證據仍然很多. 它似乎是現階段第一個已知的合併恆星系統的案例。

GALEX在2003年至2013年間,由美國航天局(NASA)位於南加州的噴氣推進實驗室管理設計,其運行目的是通過對其他星系中的年輕恆星數量進行普查,幫助研究整個宇宙大部分地區的恆星形成歷史。為此,該任務同時觀測了近紫外光(波長比可見光稍短)和遠紫外光。GALEX所看到的大多數天體都放射出近紫外光(在GALEX圖像中以黃色表示)和遠紫外光(以藍色表示),但藍色環星雲卻與眾不同,因為它只發出了遠紫外光。

這個天體的大小類似於超新星遺蹟,例如當一顆巨大的恆星耗盡燃料並爆炸時形成的,或者是太陽大小的恆星的膨大殘骸,也就是行星星雲。但藍色環星雲的中心有一顆活的恆星。更重要的是,超新星殘骸和行星星雲一般會在紫外線範圍外輻射出多種光波長,而進一步的研究表明,藍色環星雲則沒有。

幽靈星球

2006年,GALEX團隊用加州聖地亞哥縣帕洛瑪天文臺的200英寸(5.1米)海爾望遠鏡觀察了這個星雲,然後又用夏威夷凱克天文臺的更強大的10米(33英尺)望遠鏡觀察了這個星雲。他們發現了更多有關在星雲衝擊波的證據,表明了組成藍色環星雲的氣體確實是被中心恆星周圍的某種劇烈事件所驅逐。凱克的資料同時表明了這顆恆星正在將大量的物質拉到其表面。但是這些物質是從哪裡來的呢?

卡內基科學研究所的天體物理學家、管理JPL的加州理工學院GALEX團隊成員馬克·塞伯特說:”在相當長的時間裡,我們認為也許有一顆質量是木星數倍的行星被恆星撕碎,同時它將所有的氣體從系統中排出去。”。

但是團隊想要獲得更多的資料。2012年,GALEX團隊利用美國宇航局的廣域紅外巡天探測者(WISE)進行了首次全天空調查,這是一個用紅外光研究天空的太空望遠鏡,GALEX團隊發現了一個緊密圍繞恆星運行的塵埃盤。(WISE在2013年作為尋找小行星的NEOWISE任務重新啟動。)來自其他三個紅外觀測站的檔案資料,包括美國宇航局的斯皮策空間望遠鏡,也發現了這個圓盤。這一發現並沒有排除有一顆行星也在圍繞恆星運行的可能性,但最終團隊會證明,這個圓盤和排入太空的物質來自於比巨型行星都要大的東西。在這之後,2017年,德克薩斯州霍比-埃伯利望遠鏡上的宜居帶行星探測儀證實了並沒有緊湊的物體圍繞恆星運行。

發現藍色環星雲十多年後,該團隊通過四臺空間望遠鏡、四臺地基望遠鏡、追溯到了1895年的恆星曆史觀測(以尋找其亮度隨時間的變化),並在公民科學家的幫助下,通過美國變星觀測者協會(AAVSO)收集到了關於該系統的資料。但是,他們仍然不知道是什麼產生了星雲。

星際偵查

星際偵查

凱里·霍德利在2017年開始與GALEX科學團隊合作,”這個小組已經有點撞牆了”,凱里·霍德利指在藍環星雲的研究上。但加州理工學院的天體物理學家Hoadley被這個天體及其奇異的特徵所吸引,所以她接受了試圖解開這個謎團的挑戰。似乎解決方案很可能不是來自於對該系統的更多觀測,而是來自於對現有資料的意義進行前沿理論推測。於是加州理工學院GALEX的首席研究員克里斯·馬丁向哥倫比亞大學的布萊恩·梅茨格求助。

作為一名理論天體物理學家,梅茨格製作了宇宙現象的數學和計算模型,這些模型可用於預測這些現象的外觀和行為。他專門研究宇宙合併以及各種物體之間的碰撞,無論是行星和恆星還是兩個黑洞,他都研究。有了梅茨格的加入和胡德利的指導,工作進展很快。

“不僅僅布萊恩可以解釋我們看到的資料,基本上在他看到之前預測到了我們所觀察到的東西,”霍德利說。”他會說,’如果這是一個恆星合併,那麼你應該看到X,’這就像是的,’是的!我們看到了!'”

研究小組指出,這個星雲是一個相對新的恆星合併的產物,它很可能發生在:一顆與我們的太陽相似的恆星和另一顆只有其十分之一大小的恆星之間(或約為木星質量的100倍)。在生命即將結束的時候,這顆類似太陽的恆星開始膨脹,並逐漸靠近它的同伴。最終,這顆較小的恆星陷入了向下的漩渦,向著它較大的同伴前進。途中,較大的恆星將較小的恆星撕開,不斷將自己包裹在一圈碎片中,最終將較小的恆星完全吞噬。

這是導致藍環星雲形成的劇烈事件。恆星的合併向空間發射了一團熱碎片,被氣體盤又切成兩半。於是形成了兩個圓錐狀的碎片雲,它們的基部以相反的方向遠離著恆星,並隨著向外移動而逐漸變寬。其中一個圓錐體的底部幾乎直接朝向地球,另一個則幾乎直接遠離。因為它們太微弱了,無法單獨看到,但錐體重疊的區域(從地球上看)則形成了GALEX觀測到的中央藍色環。這也是為什麼我們觀測到的星雲是環狀的原因。

千年過去了。膨脹的碎片雲冷卻後形成了分子和塵埃,其中包括與星際介質碰撞產生的氫分子,星際介質是原子和高能粒子的稀疏集合,充斥了恆星之間的空間。碰撞激發了氫分子,使它們以特定波長的遠紫外光輻射。隨著時間的推移,這種光芒變得越來越明亮,足夠讓GALEX能夠發現並看見它們。

在我們的銀河系中,恆星合併的頻率大約是每10年一次,所以,這也意味著我們在天空中看到的相當多的恆星曾經有可能都是兩顆。

“我們看到很多雙星系統可能將在某一天合併,我們認為我們已確定了可能在數百萬年前合併的恆星。但我們幾乎沒有任何關於這中間發生的資料,”梅茨格說。”我們認為在我們的銀河系中可能有很多年輕恆星合併的殘餘,藍環星雲會向我們展示它們的樣子,這樣,我們就可以識別更多合併的恆星。”

這是一個16年謎團的結論,也是恆星合併研究新篇章的開始。

“我們十分驚訝於GALEX能夠找到這個我們沒有尋找的到的微弱的物體,但這變成了天文學家認為非常有趣的東西,”塞伯特說。”這只是強調一遍,當你以新的波長或新的方式觀察宇宙時,你會發現你從未想象過的東西。”

美國加州理工學院JPL部門為美國航天局科學任務局管理GALEX任務。該任務是由美國航天局位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德空間飛行中心根據探索者方案開發的。同時JPL還管理著Spitzer和WISE任務,並管理著NEOWISE任務。有關GALEX任務的更多資訊,請訪問。

作者: Tony Greicius

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