那颗还没炸完的星

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

那颗还没炸完的星

□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 翻译 程思淼

船底座η在19世纪40年代的“大爆发”，造就了浓烟滚滚的沙漏形的侏儒星云。这里显示的是哈勃太空望远镜拍摄的著名图像。图片来源：Nathan Smith/University of Arizona and NASA

何锐思（Richard de Grijs）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

1838年到1845年间，天文学家注意到，在南天发生了一件不同寻常的事。之前并不显眼的船底座η变得越来越亮，最终成为全天除天狼星之外最亮的恒星。20年后，它却从人们的视野里消失了。天文学家称这次事件为“（船底座η）大爆发”。这次事件向太空中喷出的气体壳质量至少有太阳的10倍，甚至可能高达40倍。这些物质形成的一片沙漏形、充满尘埃的云，被称为“侏儒星云”（Homunculus Nebula），现在直径已经有大约一光年，并且仍在以210万千米/小时的速度继续扩张。

是什么造成了这次爆发？19世纪的天文学家们是否见证了一次异样的超新星爆炸？一颗恒星以灾难性的爆炸结束了自己的生命？

“不尽然，”美国亚利桑那大学博士生米甘・齐明齐（Megan Kiminki）说，“我们说船底座η是一颗‘伪超新星’。虽然它喷出了大量的物质，变得非常明亮，但恒星本身还一直在那儿。”

科学家称这种爆发为“伪超新星”事件，因为它们看上去跟超新星爆发很像，但在恒星本身完全毁灭之前停住了。事实上，到了20世纪中叶，船底座η的亮度又开始增加了。

仔细分析哈勃太空望远镜拍摄的船底座η的图像，齐明齐和她的团队惊奇地发现，“大爆发”只不过是船底座η系统自13世纪以来一系列大规模喷发中离我们最近的一次而已。科学家一直致力于弄清到底是什么造成了船底座这样的恒星系统的爆发，而这项新发现，就像侦探故事里一把“硝烟还未散去的枪”一样，将成为决定性的证据。

“从19世纪第一次爆发的报告到最近用先进的现代望远镜获得的数据，船底座η一直令我们困扰，”同在亚利桑那大学的纳坦・史密斯（Nathan Smith）说，“爆发背后的原因一直是最重要的未解之谜。而现在我们发现，在此之前还有好多次爆发。这有点像通过发掘古代岩浆的遗迹来重建一座火山的喷发史。”

尽管要看到炽热如火的侏儒星云内部很不容易，但天文学家还是弄清楚了，船底座η是一个由两颗大质量恒星组成的双星系统，两星互绕的周期为5年半。这两颗子星都比太阳大得多，而且至少有一颗已经接近生命的终结。

“即使在不喷出星云物质的时候，它们也是非常不稳定的巨型恒星，”齐明齐说，“它们有着致密的核和非常稀薄的外层。如果把那颗较大的星放到我们太阳的位置（它的质量有太阳的90-100倍），它的表面肯定能延伸到火星轨道之外。”

船底座η系统中较大的子星是一颗即将走到生命尽头的、巨大而不稳定的恒星。而19世纪天文学家观测到的那次事件，就是它的一次“濒死体验”。

由于侏儒星云标志性的外观，它成了很多天文项目观测的目标。哈勃太空望远镜在20年间拍摄的共计8幅图像，成了齐明齐与她的同事们宝贵的研究资源。

他们原本的观测计划是打算测量船底座星云中恒星和原恒星喷流（年轻恒星在形成过程中喷射出的物质流）的自行，但同样的观测数据也为测量船底座η本身喷出的碎片的运动提供了极大的方便。

扩张中的侏儒星云。图片来源：APOD

箭头显示了在船底座η喷发物中观测到的792个地方的自行。箭头的颜色标记了从中央星喷出的年代。迄今我们只观测到了一次喷发（红色）。蓝色和绿色的箭头分别标记了13世纪中叶和16世纪中叶的两次喷发。图片来源：Kiminki et al./NASA

“当我对齐这些照片时，我发现其中有船底座η的那张很难对齐，”齐明齐说，“我们只能用不动的天体作为对齐的基准点，但我想，‘哇，这里面有好多东西真的在动。’于是我们决定仔细看看。”

通过对齐不同时期拍摄的星云图像，研究者得以追踪船底座η在不同时期喷出的800多个气体泡的运动，并反推出每一个喷发的可能日期。这项分析表明，侏儒星云和19世纪观测到的增亮现象只是船底座η整个历史的一部分而已。对喷出的物质束速度的测量显示，它们来自两次独立的喷发，分别发生在大爆发之前600年和300年。

除了在时间上有不同的起源，这些较早的喷发物形成的几何形状也与侏儒星云不同。侏儒星云是从恒星的两极喷出的，显示出沿自转轴对称的形状。

“我们发现其中一次早期的喷发跟侏儒星云的对称性很相似，但它的对称轴与大爆发的角度相差甚远，”齐明齐解释说，“更令人惊讶的是，最古老的那次喷发完全是单向的，这表明有两颗星牵涉其中，因为一颗恒星几乎不可能只向一个方向抛出物质。”

尽管不太好理解，这一发现却是天文学家在认识船底座η频繁喷发原因的道路上迈出的一大步。

“我们不知道船底座η上还要发生什么事，”齐明齐说，“但知道了船底座η至少喷发过三次，我们就知道，引起爆发的一定是一个再发性过程，因为要说每次爆发都是由不同的机制引起的，这不大可能。”

侏儒星云的3D模型。图片来源：NASA Goddard’s Conceptual Image Lab

“即使我们仍然不能确定19世纪那次爆发背后的物理机制，现在我们至少知道，那不是个一次性的事件。”史密斯说，“超大质量恒星如何死亡？我们的发现让这一问题变得更加难解了，但它也是这一谜团中关键的一环。像船底座η这样的恒星显然不会就那么静静地在夜空中消逝。”

船底座η的爆发使我们得以一窥超大质量恒星生命最后的不稳定阶段，这是十分难得的机会。研究超新星的学者划分了一种超新星爆发的亚型，它们在濒临最终爆炸时，会经历若干次剧烈的喷发。史密斯认为，船底座η可能就是这种恒星当中离我们最近的一个。

船底座η是在不远的将来可能爆炸为超新星的恒星中离我们最近的几颗之一（虽然天文学上“不远的将来”可以延伸到10万年或者更远）。如果它真的爆发，从地球上将看到令人难忘的一幕，那将远比它上一次喷发明亮得多。迄今发现的最明亮的超新星SN 2006gy，其前身恒星也是属于这一类型，不过它位于2亿光年远的河外星系中。

与此同时，另一个独立的天文研究团队首次建立了“大爆发”产生的不断扩张的星云——侏儒星云——的高分辨率三维模型。

“我们的模型表明，这个巨大的气体-尘埃壳的起源比一般认为的要复杂。”美国宇航局戈达德中心的托马斯•马杜拉（Thomas Madura）说，“这是第一次，我们看到星云中心双星之间的相互作用，如何在星云形态的塑造中扮演至关重要的角色。”

借助欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），这支团队沿着92条横跨星云的狭缝拍摄了近红外、可见光和紫外三个波段的光谱，形成了迄今最完整的一幅光谱地图。研究者利用这些光谱提供的位置和速度信息，制成了侏儒星云的第一个高分辨率全3D模型。

构建星云形状的模型只用到了光谱中位于近红外波段的一条来自氢分子云的发射线。随着扩张中的气体的运动速度和方向的不同，这条波长2.12微米的谱线会发生轻微的偏移。红外线能够穿透尘埃，因此，即使是星云中被尘埃遮住的、背向我们而去的气体，研究者也能够加以探测。

这个新的模型确认了先前研究得出的一些特征，例如在两瓣云气的末端存在明显的空洞，以及在接近星云中央的、可见光波段可见的尘埃裙状物的地方观测不到氢分子的发射线。新确定的特征包括从云气瓣接近尘埃裙的地方发出的有趣的臂状突起物，以及蜿蜒于云气瓣上的大而深的沟壑，还有云气在背向地球一侧出现的不规则的扩张。

“通过这项研究，我们要回答的一个问题是，侏儒星云上是否打着它中央双星的烙印。因为之前的研究假定，它两瓣的形状多少是沿着长轴对称的（这暗示只有一颗星参与了星云的形成），”研究组成员、瑞士日内瓦大学的天文学家约瑟•格罗（Jose Groh）解释说，“而新确定的特征强烈地暗示，塑造了侏儒星云的是船底座η的两颗星。”

现在让我们来看看另一架太空望远镜得出的成果。作为钱德拉X射线天文台17年前升空后的首批观测目标之一，船底座η系统一直通过它发射的X射线向我们透露着有关它性质的线索。

这幅多波段图像显示了三架不同的望远镜在船底座η天区观测到的结果。从左到右依次是：钱德拉X射线天文台在X射线波段、哈勃太空望远镜在可见光波段和陆基的2MASS巡天项目在红外波段拍摄的图像。X射线图像揭示出星云外围一个马蹄形的环状结构、一个炽热的内核以及一个炽热的中央源。可见光图像显示出两个巨大的泡状结构从系统中心扩张而出，速度超过一百万千米/小时。红外波段的数据则表明船底座η是银河系中最明亮的恒星系统之一。图片来源：可见光，NASA/STScI；近红外，2MASS/UMass/ IPAC-Caltech/NASA/NSF

“钱德拉”拍摄的船底座η的X射线图像。图片来源：ASA/CXC/GSFC/ K.Hamaguchi et al.

天文学家试图了解船底座η系统两颗子星以及它们相互作用的情况。其中较大的一颗子星，它的物质正通过超过100万千米/小时的恒星风快速地流失。即使没有“大爆发”的清洗，由于本身极高的物质流失速率，它的质量也将在千年之后降到和太阳差不多的水平。

船底座η的伴星，尽管比它的伙伴要小一些，但仍然是一颗大质量恒星，大约有30倍太阳质量。它的物质流失速率约是前一颗的百分之一，不过比起其他大多数恒星来，它的质量损失速度也很可观了。不过，这颗伴星倒是在星风的速度上打败了主星，它的星风速度几乎是主星的十倍。

侏儒星云的最新模型显示出氢分子发射区上的突出物、沟壑和不规则的特征。突出物出现在星云中央、可见光波段下可以看见的尘埃裙附近（见中图）。但在氢分子发射的研究中，尘埃裙并没有出现。因此它们被认为是不同的结构。图片来源：NASA Goddard; inset: NASA, ESA, Hubble SM4 ERO Team

当这样两阵高速而有力的恒星风迎面相撞，它们会形成一个弓形的激波面（类似超音速飞机产生的音爆），而激波会加热两星之间的气体。当这些气体的温度达到1000万度，它们就会发出“钱德拉”可以探测到的X射线。当两颗星运行到最接近时，伴星发出的较快的星风会在主星致密但是较慢的星风中“凿”出一条隧道。这个口子张开的角度跟云气瓣上沟壑的长度（130度）和臂状突起物的角度（110度）相当吻合，这就是说，大爆发时期两星运行到近点附近时发生的相互作用，在侏儒星云上打下了印记。

在“钱德拉”拍摄的船底座η图像中，低能X射线用红色、中能X射线用绿色、高能X射线用蓝色表示。图中蓝色的点源是由碰撞的星风引起的，而弥散的蓝色发射区则是大爆发喷出的物质对这些X射线的漫反射。更远处的低能X射线显示出两星的星风，或者也可能是大爆发喷出的物质，与周围的物质碰撞的情况。这些周围的物质也许是来自大爆发之前的若干次喷发。

船底座η系统的一个有趣的特征是，它的两颗子星是在非常扁而长的椭圆轨道上，以5年半为周期互相绕转的。因此，两颗星在轨道不同位置上时，它们之间的距离可以相差20倍。这样一条椭圆形的轨道，就为天文学家研究两星的星风在不同距离相撞时会发生什么，提供了难得的机会。

在整条轨道的大部分地方，X射线在“顶点”（apex）处，也就是恒星风迎面相撞的地方最强。但是，当两颗星处在轨道上距离最近的位置——天文学家称为“近点”（periastron）——时，X射线出乎意料地减弱了。此时，船底座η的两颗巨大而明亮的子星之间的距离，跟火星到太阳的平均距离相当。

为了理解X射线在近点减弱的原因，天文学家用“钱德拉”对船底座η进行了观测。人们得到了船底座η中相撞的星风发出的X射线的首幅细节图像。研究表明，两星运行到近点处，顶点位置发出的X射线会减弱，其部分原因在于，顶点处发出的X射线被主星发出的致密的星风，或者主星本身的表面遮住了。（别忘了，主星本身就有火星轨道那么大！）另一个造成X射线减弱的因素是，两星运行到近点附近时，两星之间的激波看来遭到了破坏：这也许是因为密度增加后，气体的冷却变得更快了；又或许是由于主星强烈的紫外辐射降低了伴星星风的强度。

船底座η发出的光，要经过7000年才能传到地球。当我们看到这7000年前发出的光时，也许更多的事已经发生了。“也许现在船底座η已经成了一颗超新星，不过我们只有再等7000年才能知道了。”齐明齐说。

（责任编辑 冯翀）

这是超新星的前兆吗？图片来源：NASA/ESA