我们如何通过发现一种罕见的恒星碰撞形式,解开了一个有数百年历史的谜团

Parabolic antennas of the ALMA (Atacama Large Millimetre/Submillimetre Array) project are seen at the El Llano de Chajnantor in the Atacama desert, some 1730 km (1074 miles) north of Santiago and 5000 metres above sea level, March 12, 2013. ALMA will be inaugurated on Wednesday and is being constructed by the ESO (European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere) with its partners NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan) and NRAO (National Radio Astronomy Observatory). ALMA will have 66 high precision antennas which will work together as a single giant telescope to study the universe, molecular gas, dust of stars, galaxies and planetary systems, ESO said. REUTERS/Ivan Alvarado (CHILE - Tags: SCIENCE TECHNOLOGY ENVIRONMENT) - GM1E93D0B7901
If it wasn't an explosion, then what?Image: REUTERS/Ivan Alvarado (CHILE - Tags: SCIENCE TECHNOLOGY ENVIRONMENT) - GM1E93D0B7901
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1670年6月,天空中出现了一颗明亮的新星。它被法国第戎的加尔都西会修士Père Dom Anthelme神父观测到,天文学家约翰内斯·赫维留斯(Johannes Hevelius)在波兰格但斯克(Gdansk)也做了观测。在接下来的几个月里,它逐渐暗淡至肉眼不可见。然而,1671年3月,它重新出现,此时亮度更高,并跻身天空中最亮的100颗星之列。它再次暗淡,到夏末时已消失不见。随后在1672年,它第三次出现,此时仅能勉强用肉眼看到。几个月后,它再次消失,此后再未被观测到。

这一事件一直显得十分奇特。几个世纪以来,天文学家将其视为已知最古老的新星——一种恒星爆发现象。但这一解释在20世纪变得站不住脚。新星是一种相当常见的现象:当一颗已经熄灭的恒星中的氢被点燃,引发热核失控反应时,便会产生新星。恒星也可能因核心坍缩而以超新星的形式爆发。然而,我们现在知道,这两种情况都不会产生此次事件中所见的那种反复出现的现象。

那么它究竟是什么?我们发表于《英国皇家天文学会月刊》的新研究提供了一个全新的解释。

1982年,美国天文学家Mike Shara在那颗消失恒星的位置发现了一个星云——一团由尘埃、氢、氦及其他气体组成的星际云——此后,这颗恒星被命名为CK Vul。这证明此处确实发生过某些事件。天文学家后来注意到,该星云正在膨胀,且膨胀大约始于300年前。但恒星本身却无法被观测到。

此图记录了“新星”的位置(以红色标示),由著名天文学家赫维留斯绘制,并由英国皇家学会发表。Image: CC BY-SA

更加奇特的是,天文学家Tomasz Kamiński 发现该星云包含一种极不寻常的元素组合,其中两种同位素(即原子核中中子数与“普通”原子不同的元素)含量非常丰富:一种氮(15N)和放射性铝(26Al)。这两种元素的形成需要极高的温度。无论发生了什么,这都是一次高能事件。

新观测

我们利用智利的ALMA天文台观测了该恒星的位置。。这架外观引人注目的望远镜由64个独立的天线组成,工作于光的微波波段。它尤其擅长探测太空中分子发出的辐射。我们发现,此次事件的碎片表现为两个形似沙漏的尘埃环。这一沙漏嵌套于先前观测到的一个更大的沙漏之中,其自身又包含其他结构,层层嵌套,宛如俄罗斯套娃。

此类沙漏状的瓣状结构表明,中心存在喷流,正将两侧的气泡吹散。但这两个沙漏的倾斜角度略有不同。这表明,原始结构曾在旋转,而这需要一个漫长的过程。无论发生了什么,它都不仅仅是一次单一的爆炸。物质的抛射必定持续了一段时间。

ALMA观测到的尘埃环。Image: CC BY-SA

但如果不是爆炸,那又是什么?与恒星爆炸相对的另一种可能,是两颗恒星之间的碰撞。这类事件十分罕见,近年来备受关注。2008年,银河系中心附近捕捉到了一次碰撞。相互碰撞的两颗恒星彼此紧密环绕,最终合并。

在此次事件中,恒星的亮度增加到此前的100倍,随后两年间又逐渐暗淡。类似事件可能曾发生于2000年,当时一颗名为V838 Mon的恒星突然变亮,随后缓慢暗淡。

CK Vul可能是两颗普通恒星合并的结果。但这一解释似乎并不吻合。不过,幸运的是,可能的碰撞类型多种多样,恒星也有许多种类。我们现已推算出,恒星光谱两端的两颗恒星可能产生了天空中所见的这一现象。

主角可能是一颗白矮星,即像太阳这样的恒星走到生命末期后留下的致密残骸。配角则可能是一颗褐矮星,它是介于恒星与行星之间的天体:质量太轻,无法像恒星那样在核心发生通常的氢聚变,但又太重而不能算作行星。其质量为木星的10至80倍。褐矮星可能相当普遍,但因其极其暗淡而难以发现。

白矮星与褐矮星的碰撞将极为壮观。褐矮星会被质量大得多、密度也更高的白矮星撕裂。被撕碎的部分物质会落向白矮星,并为热核反应提供燃料。褐矮星的其余部分则会被爆发产生的碎片裹挟而去。

与普通恒星不同,白矮星可以极其暗淡,在合并和热核爆炸之后,最终会恢复到这一亮度。残留的尘埃壳层也可能起到了作用,使其不透明于可见光。普通恒星之间的合并则会留下一颗光度正常的恒星,即便被遮蔽,仍可能在红外波段被观测到。

事情果真如此发生吗?我们建立了一个合理的模型,但若要获得确凿证据,还需进一步检验。例如,这次碰撞是否能提供形成放射性铝所需的条件?未来的观测可以细致研究沙漏结构最内层区域的细节,以查明真相。

我们的发现首次探测到了白矮星与褐矮星之间的碰撞。一旦得到证实,我们便可以用它来寻找其他类似事件。天文学是一场探险:物理学与发现的精彩融合。我们仍在学习之中。

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