來自恆星的巨型炮彈到底帶來了什麼

美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡，探測到來自一顆垂死恆星的超熱氣體團，每個質量約相當於2個火星。這些等離子球運動得很快，從月球到地球，只需30分鐘。天文學家估計，在過去400年期間，這種恆星加農炮彈（cannon fire）每隔8.5年就發射一次。對天文學家而言，這些火球現在就成了謎；因為火球來自一顆膨脹的紅巨星，編號長蛇座V，離地球約1200光年，在其垂死掙扎的這些歲月中，大概已經損失了一半質量。而它顯然不具有發射如此火球的能力。

伴星導致紅巨星發射巨型熱氣團的示意圖。大圖：1.1MB，版權：NASA、ESA，研究者團隊；下同。

伴星穿過紅巨星的大氣，併產生巨型超熱火球的示意圖。紅巨星的大氣溫度較低，所以整個恆星偏紅；而吸積盤中的氣體由於勢能轉化為動能，溫度有顯著上升。單個氣團達到2個火星質量，屬於正常規模。

對天文學家而言，這些火球現在就是個謎；因為火球來自一顆膨脹的紅巨星，編號長蛇座V（V Hydrae），離地球約1200光年，在其垂死掙扎的這些歲月中，大概已經損失了一半質量。紅巨星是垂死的恆星，其核心已經耗盡了聚變的主要燃料——氫，恆星在核心及殼層不穩定的燃燒氦、氫過程中膨脹，並失去其外層大氣，這類恆星顯然不具有發射如此高溫火球的能力。

目前對此的最合理解釋是，等離子球是由一顆看不見的圍繞紅巨星運轉的伴星發射的。每隔8.5年，這顆在扁長軌道上運行的伴星就會深入紅巨星長蛇座V的膨脹大氣中，並從中大量吸積物質。這些物質通常會形成圍繞伴星的吸積盤，並充當然後拋射等離子球的發射台（氣團速度約200km/s）。

研究者說，這個模型能夠解釋哈勃觀測到的垂死恆星周圍的各種奇形怪狀的發光氣體雲——它們統稱為行星狀星雲。行星狀星雲是恆星在其演化最後階段拋出的發光氣體殼（該名稱因早年望遠鏡技術差，它們看起來像海王星天王星一樣有模糊的圓面，其實與行星本身沒有任何關係，譯註）。

研究報告首席作者、加利福尼亞州帕薩迪那市美國噴氣推進實驗室（JPL）的Raghvendra Sahai解說：「根據以前的數據，我們知道此類天體具有高速外向流；但這是我們第一次觀測到正在發生的實際過程。我們推測，產生於恆星演化後期的此類氣體團，有助於解釋行星狀星雲的各種結構。」

過去20年來的哈勃觀測，揭示了行星狀星雲各種龐大而複雜的結構，望遠鏡的高解析度圖像顯示出嵌入垂死恆星周圍發光氣體雲中的各種物質團塊。天文學家推斷，那些團塊事實上就是來自哈勃圖像中看不見伴星造成的吸積盤的噴流。銀河系中的大部分恆星是雙星成員（一般的估計是超過恆星總數的一半，譯註），但那些噴流是如何產生的，迄今還是謎。

Sahai接著解釋：「我們想了解從膨脹紅巨星到美麗發光的行星狀星雲的令人激動的轉變過程。這些持續的變動僅僅持續200~1000年，從宇宙年齡來說，僅僅是一眨眼的時間。」

Sahai團隊使用哈勃的空間望遠鏡成像光譜儀（STIS）對長蛇座V及其周圍太空的觀測已經持續了11年，第一個階段從2002—2004年，第二個階段從2011—2013年。對天體的光譜分析，能夠揭示其速度、溫度、位置和運動的信息。

研究報告插圖，氣團相對於觀測者的運動示意圖，數字單位為km/s。E代表東方，離開紙面向上為北。STIS的數據圖像過於專業，解釋太費筆墨，不再貼出。

觀測數據顯示出一系列的巨大超熱氣體團，每個溫度超過1萬℃，幾乎是太陽表面溫度的2倍。研究者彙集了氣體團的詳細分布圖，讓他們得以追蹤從1986年第一個團塊開始的氣團運動。Sahai繼續解說：「STIS的觀測數據（圖像）顯示熱氣團隨著時間而運動：從剛剛噴出、到遠了一點，到更遠一點。」 STIS的數據顯示遠離紅巨星長蛇座 V 達600億千米（km）的巨型結構，該距離相當於太陽系外緣柯伊伯帶處的冰凍天體到太陽距離的8倍。

隨著氣團逐漸遠離，它們膨脹變冷，最後在光學圖像中不再可見。但是研究者介紹，在更長波的亞毫米波段，2004年夏威夷的亞毫米陣列射電望遠鏡探測到了模糊的團塊結構，它們可能是400年前拋出的。

基於上述觀測，Sahai和他的同事：加州大學洛杉磯分校的Mark Morris、紐約州立大學Stony Brook分校的Samantha Scibelli，共同設計編寫了一個數學模型，以解釋伴星產生的吸積盤導致的噴發現象。

Sahai繼續解說：「模型提供了相當合理的過程解釋，因為我們知道產生噴流的引擎就是吸積盤。紅巨星當然沒有吸積盤，但很多似乎有伴星。因為它們看不見，我們可合理推測這些伴星的質量較小，伴星的演化當然比紅巨星慢得多（長期處於紅矮星或主序星階段，譯註）。我們提出的模型能夠幫助解釋雙極行星狀星雲現象。在這些具有2個大型對稱氣泡的星雲中，普遍存在手指狀噴流結構；更複雜的多極行星狀星雲中同樣有此類結構。我們認為，我們的模型具有很廣的適用性。」

根據哈勃STIS的觀測結果，一個令人驚訝之處在於，吸積盤精確地每隔8.5年就發射巨型氣團，但是方向並不完全一致。導致發射方向左右來回移動的原因，可能是吸積盤在搖擺。Sahai喋喋不休：「這個發現出乎意料，但非常有趣，因為它有助於解釋某些已經在本例和其他恆星周圍發現的神秘現象。」

天文學家已經關注長蛇座V 17年了，他們注意到似乎有什麼東西遮住了它的光。Sahai和他的同事猜想，由於吸積盤的搖擺，發射的氣體團相對於紅巨星本身，時而在前時而在後。當氣團從我們視線前方通過時，就會部分遮蔽紅巨星的光。

一個典型的雙極行星狀星雲NGC 6302，證明哈勃WFC3功力的圖片之一。大圖：25.4MB。

Sahai總結道：「吸積盤引擎非常穩定，因為它能持續數百年發射氣團而不瓦解。在大量的此類伴星系統中，引力作用將使伴星螺旋狀靠近主星。隨著伴星進入紅巨星大氣，摩擦作用導致伴星軌道加速衰減。不過，我們並不知道伴星的最終命運是什麼。」（這些可能性包括：伴星與紅巨星合併、兩星相撞產生爆發；但最大多數的情況是，伴星加速了紅巨星的衰老，使得紅巨星的外殼加速剝離。剝離的外殼一部分成為伴星的組成質量，一部分散逸到太空。最終出現行星狀星雲、白矮星和紅矮星/類太陽恆星，譯註）

團隊希望使用哈勃實施進一步的觀測，包括研究在2011年才拋出的團塊。他們還規劃使用歐洲南方天文台（ESO）位於智利的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米射電陣列望遠鏡（ALMA），研究此前數百年發射的團塊，這些團塊因太冷，已經不能被哈勃觀測到。

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