天文学

普通明星的非凡结局

像太阳一样的恒星死掉,形成称为行星状星云的精致气体壳。它们形成的机理是什么?

布鲁斯·巴里克和亚当·弗兰克 对于科学N°322
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很少有像热带海底一样迷人的景点。章鱼的闪闪发光的轮廓与海ly的透明透明度竞争,而海transparency在当前藻类藻类的森林中演化。进入碧绿的水中,这盏芭蕾被照亮。出乎意料的是,对于天文学家来说,将目光转向太空来思考类似的奇观就足够了:行星状星云。这些垂死的恒星从内部照亮,呈虹彩状,并散发出由构成它们的原子发出的色彩,这些气态的轮廓似乎在夜晚的黑色背景上起舞。天文学家给他们起了五颜六色的名字:蚂蚁,海星,猫眼。望远镜拍摄的这些物体的照片 哈勃 是有史以来最壮观的空间图像之一。

不幸的是,两个世纪前,英国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)如此命名了行星状星云。赫歇尔(Herschel)是巨大的星云发现者,只有用望远镜才能看到模糊的云。他们中的许多人都具有模糊的圆形形状,使赫歇尔想起了他发现的天王星行星,天王星看上去对他来说是绿色的。他以为它们是行星。即使这个假设无效,这个名字仍然停留:行星状星云由垂死的恒星喷出的气体组成,它们的灰绿色优势是电离氧的标志。行星状星云不代表我们的过去,而是我们的命运。在大约五十亿年中,太阳将以行星状星云的优雅暴力终结其生命。

行星状星云不仅使我们着迷:它们迫使我们质疑我们的空间概念。他们挑战恒星演化的理论,这是我们了解宇宙的基础之一。但是,该理论并不能解释所有由图像证明的复杂形状。 哈勃 。如果恒星诞生,生活并死亡,它们如何创造出像蚂蚁,海星或猫眼一样精致的结构?

在过去的一个世纪中,天文学家逐渐了解到,根据恒星的死亡方式,它们可以分为两个不同的类别。出生体重超过八块太阳质量的恒星在爆炸中突然消失,突然爆发出超新星。诸如太阳之类的谦虚恒星的死亡需要更长的时间。这些恒星没有爆炸,而是度过了生命的最后时刻,在痉挛中燃烧其燃料。

当死亡来临时

在其生命的大部分时间内,太阳型恒星的心脏是氢融合成氦的位置。当恒星质量的约百分之十被消耗掉时,该反应便会爆发。心脏产生的多余能量使恒星膨胀,其表面冷却并变红。恒星的光度乘以100:这是红色巨相。同时,心脏中积累的氦开始融合在一起,产生碳和氧,而氢继续在心脏周围的外壳中融合。释放出的能量导致发出猛烈的太阳风。几亿年后,氦的聚变又开始了,因此恒星膨胀并明显升温。她成为超级巨星,比太阳亮一万倍。它的包络有时达到与火星轨道相等的直径。然后它是如此之大且被稀释,以致于重力不再能够维持恒星的球形,而这种恒星会被“抽搐”抓住。辐射压力使恒星的外层弹出,像洋葱一样将其剥落。喷出的物质形成行星状星云。

以来 十八 e 世纪以来,天文学家已经对近2,000个行星状星云进行了分类并拍摄了照片,而在我们银河系中密集的尘埃云后面还可能藏着10,000多个。每隔几个世纪,超新星就会在银河中的某个地方爆炸,而每年都会形成一个新的行星状星云。同时,又有数百个年长的人消散在星际空隙中:它们只能生存几万年。行星状星云肯定不如超新星明亮,但它们的对称性和复杂性却更大。

行星状星云不像其透明图像所暗示的那样空灵。每一颗都相当于恒星质量的三分之一,包括恒星死亡前必须消耗的所有气体。最初,外层(保持较弱)以每秒10至20公里的速度从恒星扩散开,这是一种相对较慢的恒星风,承载着大部分星云,持续时间为100,000至100万年(取决于恒星的初始质量)。当恒星被剥落到热核上时,其表面变热,从红色逐渐变为黄色,然后变为白色,最后变为蓝色。当表面温度超过25,000开尔文时,周围的气体沐浴在足以破坏分子并剥离其电子原子的紫外线下。恒星风以越来越高的速度运送越来越少的物质。经过短暂的行星状星云之后,风势下降。恒星残渣继续收缩并稳定为稠密的暖白矮星-一种恒星余烬,在重力作用下压缩成直径可与地球媲美的球形,并缓慢结晶。

负责从垂死的恒星中排出物质的力具有球形对称性。另外,在1980年代之前,天文学家将行星状星云视为膨胀的球形气泡。但是,从那时起,我们开始意识到行星状星云是比我们想象的复杂得多的现象。

1978年,在紫外线下的观测结果表明,在外层喷出后很久,恒星不断散发着恒星风。这些较晚的风虽然稀薄,却达到了每秒1,000公里的速度,比之前的密集风快100倍。

吹入外壳

为了评估它们对其余星云的影响,卡尔加里大学的Sun Kwok,加拿大联邦射电天文台的Christopher Purton和滑铁卢大学的Pim Fitzgerald使用了风模型恒星因其他天体物理学现象而发展。这个想法是,当快风追上慢流时,两种介质的界面处会形成致密的气体壳。这层气体围绕着一个几乎是空的但非常热的空腔。随着时间的流逝,急速的风将席卷而来。

这种称为相互作用恒星风的模型适用于球形或准球形星云。但是,在1980年代,观察者发现圆形星云是个例外:它们可能只占总人口的百分之十。许多具有细长或卵形的形状。最壮观的一面在垂死的恒星的两边都有两个气泡,但它们很少见。这些双极星云的外观为蝴蝶形或半透明的沙漏形。

为了解释这些形状,我们与荷兰莱顿大学的Vincent Icke和Garrelt Mellema一起,完善了相互作用的恒星风的概念。如果我们假设慢风最初会产生密集的气体环流,环绕恒星的赤道面,则该环将偏转恒星风,恒星风从恒星逃逸到两极,直到形成椭圆星云。沙漏状星云对应于一个密集的环面,该环面本身非常密集。圆环然后用作喷嘴,将快速风引导到两个对称的射流中。

在1990年代初期,这个简单的模型与所有可用的行星状星云观测结果一致。模拟已经验证了基本思想,新的图像证实了慢风确实确实在赤道附近显得更密集。该模型没有解释为什么这种慢风必须以圆环的形式喷出,但我们希望随着时间的流逝,这种情况会逐渐消失。

我们的乐观很快就消失了。 1994年,太空望远镜 哈勃 提供了猫眼行星状星云的第一张清晰影像( ngc 6543),只有一位赫歇尔观察到。该图像对我们的模型是致命的。中心椭圆形壳与预言相符,但其他结构却难以理解。没有人预测红色的粒状区域会包围星云,或者涌出的柱子会悬在这些区域之上。充其量,相互作用的风模型是...部分正确的。

我们最初希望猫眼只是一种特例,是一种反常现象,但事实并非如此。来自的更多图片 哈勃 很快就确定了星际死亡模型中缺少基本要素。为了发现它们,我们研究了最极端的物体,即双极星云。散布在这些星云上的小规模结构在两个喷射流中在星云的两侧对称复制。这句话暗示着整个结构在恒星表面附近运作的有组织机制(如雪花或向日葵花的生长)的作用下,已经以连贯的方式组装在一起。只是给定形状延伸到对象的心脏。

对于这样的物体,相互作用的恒星风模型预测离开圆环区域的气体将以恒定速度移动,这会在所喷射的气体发出的光中产生特征性的多普勒频移。不幸的是,该模型无法通过该测试。 2000年,我们与加那利群岛牛顿望远镜的Romano Corradi一起使用望远镜研究了南蟹状星云(He2-104) 哈勃 。我们发现其膨胀速度与离恒星的距离成正比。离恒星最远的气体不是第一个喷射层,它行进的时间更长,但速度最快。如果我们回溯该机制,那么大约5700年前恒星的一次喷发就形成了漂亮的沙漏状星云。令人惊讶的是,这种相互作用的风模型不适用,该模型假定星云是由连续风形成的。仍然是陌生人,我们发现南方蟹状星云实际上是两个星云,像俄罗斯洋娃娃一样相互依inside。最初我们以为内部星云是两者中较年轻的,但是观察表明风速从一个星云到另一个星云不断变化:它与距离成正比。因此,这些复杂的结构是6000年前发生的单个事件的结果。今天,我们仍在寻找这些发现的解释。

相互作用的恒星风模型棺材中的最后钉子是在1990年代后期出版的一系列新的 哈勃 。它们是非常年轻的行星状星云,在中央恒星开始加热它们并使它们离子化之前或之后不久就感到惊讶。天文学家认为这些天体会更小,但类似于较老的星云。在那儿,我们又错了:少年行星状星云的形状复杂得多。它们的多个对称轴无法用我们想象中的喷嘴来解释。相互作用的风的模型是死胡同。是时候找到一种新模型了。

如今,天文学家正在努力概述行星状星云形成的有效理论,其中涵盖了最有趣的观测的整个范围。他们现在同意,主要角色之一是一个或多个同伴星的重力影响。实际上,天空中至少有一半的恒星实际​​上是成对绕行的几对恒星。在大多数这些系统中,恒星相距甚远,以至于它们独立发展。但是,在某些情况下,其中一个的引力场可能会偏转,甚至可能引导另一个引出的物质流。这部分恒星对应于双极星云。

太空望远镜科学研究所的Mario Livio 哈勃 以色列理工学院的Noam Soker一直倡导这个想法很长时间,直到它成为时尚。根据他们的情况,恒星伴星捕获了垂死恒星抛出的物质。在一个轨道小于水星在太阳周围的水星且轨道周期以地球日为单位的系统中,这种物质转移会带来一些麻烦。从巨大垂死的恒星上撕下的气体形成一条尾巴,追逐着密度更高的次级恒星。该尾巴散开并最终以厚厚的吸积盘形式出现,该吸积盘环绕伴侣。模拟表明,即使后者在非常遥远的轨道上循环,也很可能配备了这样的圆盘。

宇宙消化不良

这个故事有时会有有趣的曲折。随着垂死的恒星膨胀,她可以吞咽伴侣和椎间盘。结果是一场壮观的宇宙消化不良。第二颗恒星及其盘旋成螺旋状进入女巨人的身体,从内部进行搅拌并使其均匀化。物质的驱逐变得混乱而混乱。伴星逐渐变暗,直到与女巨人的心脏融合。此时,材料的排出停止。这种机制可以解释为什么突然停止的流动似乎产生了一些星云。

双星系统中的伴星可能不会单独作用于行星状星云的形成。源于恒星本身或其伴星盘的强磁场也可能起作用。在太空中,大多数气体被电离,因此磁场可以引导其运动。强磁场引导气流流动,就像地球磁场从太阳风中捕获粒子并将其引导到极地区域一样,它们触发极光。相反,足够强的恒星风会拉伸,偏转或捕获磁场。

在1990年代后期,弗吉尼亚大学的Roger Chevalier和Ding Luo假定恒星风携带磁场环。天然气和气田之间的僵持状态将引导气流产生奇特的形式。不幸的是,该模型预测该磁场起初必须非常弱,并且在产生风中不起作用,而实际上,恒星表面上的活动磁场对于弹出风必不可少。恒星。

磁场的作用

另一种方法是研究强磁场如何将物质弹入太空。当对流运动折磨着垂死的恒星时,锚定在其核心中的磁场朝着表面上升,引起大量的灼热气体;如果心脏快速旋转,则磁场线像泉。当它们出现时,它们像气泡一样破裂并推动它们所持有的物质进入太空。磁化吸积盘中也可能有类似的机制。恒星及其伴星的吸积盘都可能产生不同的风向。他们的旋转轴排列不完全被认为是在年轻的行星状星云中观察到的一些多极形状的原因。我们与罗切斯特大学的Eric Blackman和麦克马斯特大学的Sean Matt一起研究了这些影响。关键是磁场,像双星一样,是外部源,与相互作用的风模型相比,它们可以产生更大的形状阵列。

今天,我们对将恒星转化为行星状星云的机制有了更好的了解,但是这种情况还不完整。我们相信我们已经发现了可以塑造垂死恒星喷射出的物质流的仪器。但是,我们不知道这些机制如何共同作用来创造出像行星状星云一样和谐的结构。是什么推动了恒星风?恒星伴星的确切作用是什么?磁场如何工作?多叶星云的起源是什么?新现象的发现令人震惊, 哈勃 对于增进我们对星角形美学的理解至关重要。

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