最终悸动

编译 刘安立

在距今数十亿年后，随着太阳进入生命末期，其中心开始聚合氦核，太阳将显著膨胀，变成红巨星。在吞没水星和金星等行星之后，太阳的个头将变得很大，因而不再能束缚自己最外层的气体和尘埃。在光彩的结局中，太阳不得不喷射出的这些物质将在太空中形成亮丽的光罩（气壳）。这一气壳将像霓虹灯一样闪烁数千年，然后暗淡下来。

颠覆旧的假说

星系中到处点缀着这样的气壳，它们被科学家称为行星状星云。质量为0.5～8 倍太阳质量的恒星，最终都会演变成行星状星云。更大质量恒星的结局也更暴烈——它们会爆发为超新星。行星状星云形态各异，正如其名——南蟹、猫眼、蝴蝶等。不过，虽然这些名字很美，行星状星云却有一个谜困惑着科学家：红巨星看似平淡无奇的圆球状气壳，最终怎么会变成外形各异的行星状星云？

根据关于行星状星云成因的早期主要理论，是红巨星自身造就了这样的星云：由于束缚自己外层物质的引力很弱，红巨星会在生命末期迅速丢失物质，每百年会失去自身质量的1%；红巨星表面下犹如一锅沸水翻腾，引起外层物质脉冲；这样的脉冲产生的冲击波将气体和尘埃炸进太空，形成恒星风；然而，要让如此巨量的物质一去不回头，不至于坠回红巨星表面，红巨星需要耗费的能量之巨大难以想象，而可以想象的是，恒星风绝非微风，而是具有超级火箭般的巨大力量；在红巨星的外层逃逸后，小得多的内层坍缩成一颗白矮星；白矮星比原来的红巨星温度高得多，也亮得多，因此会照亮逃逸的气体并导致气体升温，直到这些气体自身发光，成为可见的行星状星云。这一过程历时几百年到几千年，这么长的时间在天文学中却只是一瞬。

能量极其巨大的超新星爆发（想象图）

在地面望远镜拍摄的早期图像中，南蟹星云看上去有着像螃蟹那样的“四条腿”。但空间望远镜拍摄的新图像表明，这些“腿”是基本组成沙漏形状的两个泡泡的两侧。在这些泡泡的中心有两条气体射流，其“节点”在与恒星之间的气体相遇时被照亮。南蟹星云位于距离地球几千光年的半人马座，该星云疑似发生过两次气体喷发事件：其中一次发生在大约5500年前，它形成了大“沙漏”；另一次发生在2300年前，形成了小“沙漏”

在哈勃太空望远镜（以下简称哈勃）于1990 年升空之前，科学家一直相信，红巨星是对称的圆球，因此会产生圆球状的行星状星云。而哈勃发回的图像表明，许多行星状星云拥有奇异的非对称结构。哈勃发回的信息还揭示了虽不是圆球状、但围绕星云主轴对称的瓣面、翼和其他结构，这些结构之对称就好像是在陶工转轮上旋转出来的。

到了2002 年，科学家对这些结构的起源有两种主要观点。有人认为轴向对称是源自红巨星的自转，也有人猜测是源自红巨星磁场的运作，但这两种观点其实都站不住脚。随着红巨星越变越大，其自转会变慢，磁场会变弱，但红巨星在生命末期丢失质量的速度却加快了。对此，这两种观点都无法解释。

空间望远镜拍摄的新图像揭示了南环星云（位于2500 光年外的船帆座）的惊人细节。左图为近红外图，它显示的壮观的同心气壳记录了死亡恒星的爆发情况。右图为中红外图，从图中容易区分位于星云中心的死亡恒星（红色）及其伴星（蓝色）。星云中的所有气体和尘埃都由红色恒星喷发

另一种理论认为，大多数行星状星云的形成都不是因为一颗恒星，而是因为一对恒星。这被称为“双星假说”。根据该假说，这第二颗恒星不仅比红巨星（主星）小得多，而且亮度只有红巨星的几千分之一，前者与红巨星的距离和木星距离太阳一样远。这样的距离让第二颗恒星既能“破坏”红巨星，又不至于被红巨星吞噬。还有其他可能性，例如第二颗恒星在一条俯冲轰炸轨道中每几百年靠近红巨星一次，在此期间通过引力剥离红巨星的外层。

双星假说能很好地解释死亡恒星嬗变的第一阶段。随着伴星从主星（红巨星）拖走尘埃和气体，这些尘埃和气体不会被吸入伴星，而是会在伴星的轨道平面形成旋转的物质盘——吸积盘。如果吸积盘有磁场，盘中的某些带电气体就会被排斥出盘，向恒星的自转轴聚集。就算吸积盘没有磁场，盘中物质也会阻碍轨道平面的气体外流，因此气体呈现双瓣结构，朝向两极的气体流速加快。而在哈勃拍摄的行星状星云图像中，清晰可见双星假说描绘的情景。这意味着双星假说可能是正确的。

上图为双射流星云，它位于距离地球2400光年的蛇夫座。该星云呈现沙漏形态，两条气体射流迅速流向两极。这些气体很可能由中心恒星在大约1200 年前喷发。下图为猫眼星云，它位于距离地球3300 光年的天龙座。猫眼星云有11 条同心尘埃环，科学家估计这些尘埃每1500 年被喷发一次，但对猫眼星云的复杂结构怎样形成仍不清楚

验证新的假说

然而，一些科学家对双星假说提出质疑：哈勃拍摄的图像只能间接支持双星假说，但这些图像并未记录到行星状星云的形成过程，那么怎么能证明双星假说的正确性？

这种质疑当然是有道理的。但在过去十几年中，支持双星假说的证据在增加。更先进的新望远镜揭示，一些红巨星在转变成行星状星云之前被螺旋结构和吸积盘环绕，正如第二颗恒星从红巨星那里拖离物质的情况。在一些情况下，科学家甚至有可能看见伴星。

位于智利的望远镜阵列，让科学家得以绘制红巨星周围的恒星风在形成行星状星云之前的分布图。每幅图左上角有恒星名称。恒星向外喷发物质所形成的恒星风会造成盘状、螺旋和“玫瑰”等各种结构

在验证双星假说方面，女科学家德馨的团队主要依靠2011 年投入使用、位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（简称ALMA）。该阵列包括66 部射电望远镜，它们协力产生天体图像。要想绘制恒星风和吸积盘的图像，科学家就需要知道天体的速度。而要探索天体力学和天体速度，ALMA 所提供的空间及光谱的高解析度便非常重要。

ALMA发现了十多颗红巨星周围的螺旋或弧形结构，这是红巨星喷射的物质旋转流向伴星的几乎明确的征兆。这些螺旋结构与电脑模拟结果很匹配，而用恒星风模型根本不能解释这些结构。德馨团队2020年在国际权威媒体发表了这一研究成果。此外，该团队还表示在ALMA 所拍摄图像中可能看见了两颗红巨星此前未被探测到的伴星。为了证实是否如此，他们需要长时间追踪这些疑似伴星，看它们是否在环绕主星，如果是，那么基本就可以证实它们是伴星。

玫瑰星云是演化出鲜花形态的行星状星云中最著名的一个。该星云位于距离地球大约5000 光年的麒麟座，图中的“花瓣”其实是恒星产房。玫瑰星云的漂亮形状是由该星云中心的年轻恒星团发出的恒星风和辐射塑造的，这些恒星的年龄都只有几百万年。玫瑰星云中心的巨大空腔直径约为50 光年

科学家现在已经有了行星状星云在形成前和形成后的“快照”，但缺乏对中间过程的观测。那么，有没有可能观测到行星状星云的形成过程？迄今，电脑模拟是“观测”行星状星云从开始形成到形成完毕之间数百年过程的唯一手段。电脑模拟已经帮助科学家聚焦一种场景：伴星在长期环绕主星，并且因潮汐力而逐渐靠近主星后坠向主星。随着伴星旋转着坠向主星核，伴星会失去极大量的引力能。电脑模拟表明，这会大大加速恒星失去外层物质的过程，最快在10 年内就会完成此过程。如果实际情况如此，加之如果科学家能知道在哪里观测此过程，他们就可能实时目击恒星死亡和行星状星云的诞生。

这方面的一个候选观测对象是长蛇座V星。这颗非常活跃的红巨星每8.5 年就朝自己的两极喷射子弹状的等离子体堆，并且在过去2100 年中喷射出的物质组成了位于其赤道平面的6 条大环。科学家在2022 年4 月宣布发现了这些环，并且相信这颗红巨星有两颗伴星。其中一颗更靠近红巨星的伴星可能已经摩擦过红巨星的外层，由此产生等离子体抛射，而另一颗较远的伴星在俯冲轰炸轨道中控制环物质的喷射。如果这样，红巨星就可能将要吞噬距离自己较近的伴星。

再来看太阳。太阳没有伴星。双星假说似乎不涉及太阳的命运。有伴星的红巨星失去自身质量的速度比没有伴星的红巨星快6～10 倍，这是因为伴星拖离红巨星外层的效率比红巨星自己喷射掉外层的效率高很多。太阳一般大小的恒星中大约一半有伴星。德馨等人的研究表明，伴星会影响恒星风的形态，如果伴星靠红巨星很近还可能严重影响红巨星失去自己质量的速度。太阳由于没有伴星，失去自己外层物质的速度会慢很多，因此太阳处于红巨星阶段的时间也会长得多。

不过，科学家对太阳仍有很多未解之处。例如，虽然木星是一颗行星，而不是一颗恒星，但木星重得可能像一颗伴星那样，足以从太阳那里拖离物质，并且推动吸积盘运转。德馨推测，木星将会造成一个会影响太阳风的小螺旋结构，如果这样，那么太阳可能也将最终上演炫彩大结局。