編譯 劉安立

在距今數(shù)十億年后，隨著太陽(yáng)進(jìn)入生命末期，其中心開(kāi)始聚合氦核，太陽(yáng)將顯著膨脹，變成紅巨星。在吞沒(méi)水星和金星等行星之后，太陽(yáng)的個(gè)頭將變得很大，因而不再能束縛自己最外層的氣體和塵埃。在光彩的結(jié)局中，太陽(yáng)不得不噴射出的這些物質(zhì)將在太空中形成亮麗的光罩（氣殼）。這一氣殼將像霓虹燈一樣閃爍數(shù)千年，然后暗淡下來(lái)。

顛覆舊的假說(shuō)

星系中到處點(diǎn)綴著這樣的氣殼，它們被科學(xué)家稱(chēng)為行星狀星云。質(zhì)量為0.5～8 倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，最終都會(huì)演變成行星狀星云。更大質(zhì)量恒星的結(jié)局也更暴烈——它們會(huì)爆發(fā)為超新星。行星狀星云形態(tài)各異，正如其名——南蟹、貓眼、蝴蝶等。不過(guò)，雖然這些名字很美，行星狀星云卻有一個(gè)謎困惑著科學(xué)家：紅巨星看似平淡無(wú)奇的圓球狀氣殼，最終怎么會(huì)變成外形各異的行星狀星云？

根據(jù)關(guān)于行星狀星云成因的早期主要理論，是紅巨星自身造就了這樣的星云：由于束縛自己外層物質(zhì)的引力很弱，紅巨星會(huì)在生命末期迅速丟失物質(zhì)，每百年會(huì)失去自身質(zhì)量的1%；紅巨星表面下猶如一鍋沸水翻騰，引起外層物質(zhì)脈沖；這樣的脈沖產(chǎn)生的沖擊波將氣體和塵埃炸進(jìn)太空，形成恒星風(fēng)；然而，要讓如此巨量的物質(zhì)一去不回頭，不至于墜回紅巨星表面，紅巨星需要耗費(fèi)的能量之巨大難以想象，而可以想象的是，恒星風(fēng)絕非微風(fēng)，而是具有超級(jí)火箭般的巨大力量；在紅巨星的外層逃逸后，小得多的內(nèi)層坍縮成一顆白矮星；白矮星比原來(lái)的紅巨星溫度高得多，也亮得多，因此會(huì)照亮逃逸的氣體并導(dǎo)致氣體升溫，直到這些氣體自身發(fā)光，成為可見(jiàn)的行星狀星云。這一過(guò)程歷時(shí)幾百年到幾千年，這么長(zhǎng)的時(shí)間在天文學(xué)中卻只是一瞬。

能量極其巨大的超新星爆發(fā)（想象圖）

在地面望遠(yuǎn)鏡拍攝的早期圖像中，南蟹星云看上去有著像螃蟹那樣的“四條腿”。但空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的新圖像表明，這些“腿”是基本組成沙漏形狀的兩個(gè)泡泡的兩側(cè)。在這些泡泡的中心有兩條氣體射流，其“節(jié)點(diǎn)”在與恒星之間的氣體相遇時(shí)被照亮。南蟹星云位于距離地球幾千光年的半人馬座，該星云疑似發(fā)生過(guò)兩次氣體噴發(fā)事件：其中一次發(fā)生在大約5500年前，它形成了大“沙漏”；另一次發(fā)生在2300年前，形成了小“沙漏”

在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)哈勃）于1990 年升空之前，科學(xué)家一直相信，紅巨星是對(duì)稱(chēng)的圓球，因此會(huì)產(chǎn)生圓球狀的行星狀星云。而哈勃發(fā)回的圖像表明，許多行星狀星云擁有奇異的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。哈勃發(fā)回的信息還揭示了雖不是圓球狀、但圍繞星云主軸對(duì)稱(chēng)的瓣面、翼和其他結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)之對(duì)稱(chēng)就好像是在陶工轉(zhuǎn)輪上旋轉(zhuǎn)出來(lái)的。

到了2002 年，科學(xué)家對(duì)這些結(jié)構(gòu)的起源有兩種主要觀(guān)點(diǎn)。有人認(rèn)為軸向?qū)ΨQ(chēng)是源自紅巨星的自轉(zhuǎn)，也有人猜測(cè)是源自紅巨星磁場(chǎng)的運(yùn)作，但這兩種觀(guān)點(diǎn)其實(shí)都站不住腳。隨著紅巨星越變?cè)酱?，其自轉(zhuǎn)會(huì)變慢，磁場(chǎng)會(huì)變?nèi)酰t巨星在生命末期丟失質(zhì)量的速度卻加快了。對(duì)此，這兩種觀(guān)點(diǎn)都無(wú)法解釋。

空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的新圖像揭示了南環(huán)星云（位于2500 光年外的船帆座）的驚人細(xì)節(jié)。左圖為近紅外圖，它顯示的壯觀(guān)的同心氣殼記錄了死亡恒星的爆發(fā)情況。右圖為中紅外圖，從圖中容易區(qū)分位于星云中心的死亡恒星（紅色）及其伴星（藍(lán)色）。星云中的所有氣體和塵埃都由紅色恒星噴發(fā)

另一種理論認(rèn)為，大多數(shù)行星狀星云的形成都不是因?yàn)橐活w恒星，而是因?yàn)橐粚?duì)恒星。這被稱(chēng)為“雙星假說(shuō)”。根據(jù)該假說(shuō)，這第二顆恒星不僅比紅巨星（主星）小得多，而且亮度只有紅巨星的幾千分之一，前者與紅巨星的距離和木星距離太陽(yáng)一樣遠(yuǎn)。這樣的距離讓第二顆恒星既能“破壞”紅巨星，又不至于被紅巨星吞噬。還有其他可能性，例如第二顆恒星在一條俯沖轟炸軌道中每幾百年靠近紅巨星一次，在此期間通過(guò)引力剝離紅巨星的外層。

雙星假說(shuō)能很好地解釋死亡恒星嬗變的第一階段。隨著伴星從主星（紅巨星）拖走塵埃和氣體，這些塵埃和氣體不會(huì)被吸入伴星，而是會(huì)在伴星的軌道平面形成旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤(pán)——吸積盤(pán)。如果吸積盤(pán)有磁場(chǎng)，盤(pán)中的某些帶電氣體就會(huì)被排斥出盤(pán)，向恒星的自轉(zhuǎn)軸聚集。就算吸積盤(pán)沒(méi)有磁場(chǎng)，盤(pán)中物質(zhì)也會(huì)阻礙軌道平面的氣體外流，因此氣體呈現(xiàn)雙瓣結(jié)構(gòu)，朝向兩極的氣體流速加快。而在哈勃拍攝的行星狀星云圖像中，清晰可見(jiàn)雙星假說(shuō)描繪的情景。這意味著雙星假說(shuō)可能是正確的。

上圖為雙射流星云，它位于距離地球2400光年的蛇夫座。該星云呈現(xiàn)沙漏形態(tài)，兩條氣體射流迅速流向兩極。這些氣體很可能由中心恒星在大約1200 年前噴發(fā)。下圖為貓眼星云，它位于距離地球3300 光年的天龍座。貓眼星云有11 條同心塵埃環(huán)，科學(xué)家估計(jì)這些塵埃每1500 年被噴發(fā)一次，但對(duì)貓眼星云的復(fù)雜結(jié)構(gòu)怎樣形成仍不清楚

驗(yàn)證新的假說(shuō)

然而，一些科學(xué)家對(duì)雙星假說(shuō)提出質(zhì)疑：哈勃拍攝的圖像只能間接支持雙星假說(shuō)，但這些圖像并未記錄到行星狀星云的形成過(guò)程，那么怎么能證明雙星假說(shuō)的正確性？

這種質(zhì)疑當(dāng)然是有道理的。但在過(guò)去十幾年中，支持雙星假說(shuō)的證據(jù)在增加。更先進(jìn)的新望遠(yuǎn)鏡揭示，一些紅巨星在轉(zhuǎn)變成行星狀星云之前被螺旋結(jié)構(gòu)和吸積盤(pán)環(huán)繞，正如第二顆恒星從紅巨星那里拖離物質(zhì)的情況。在一些情況下，科學(xué)家甚至有可能看見(jiàn)伴星。

位于智利的望遠(yuǎn)鏡陣列，讓科學(xué)家得以繪制紅巨星周?chē)暮阈秋L(fēng)在形成行星狀星云之前的分布圖。每幅圖左上角有恒星名稱(chēng)。恒星向外噴發(fā)物質(zhì)所形成的恒星風(fēng)會(huì)造成盤(pán)狀、螺旋和“玫瑰”等各種結(jié)構(gòu)

在驗(yàn)證雙星假說(shuō)方面，女科學(xué)家德馨的團(tuán)隊(duì)主要依靠2011 年投入使用、位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（簡(jiǎn)稱(chēng)ALMA）。該陣列包括66 部射電望遠(yuǎn)鏡，它們協(xié)力產(chǎn)生天體圖像。要想繪制恒星風(fēng)和吸積盤(pán)的圖像，科學(xué)家就需要知道天體的速度。而要探索天體力學(xué)和天體速度，ALMA 所提供的空間及光譜的高解析度便非常重要。

ALMA發(fā)現(xiàn)了十多顆紅巨星周?chē)穆菪蚧⌒谓Y(jié)構(gòu)，這是紅巨星噴射的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)流向伴星的幾乎明確的征兆。這些螺旋結(jié)構(gòu)與電腦模擬結(jié)果很匹配，而用恒星風(fēng)模型根本不能解釋這些結(jié)構(gòu)。德馨團(tuán)隊(duì)2020年在國(guó)際權(quán)威媒體發(fā)表了這一研究成果。此外，該團(tuán)隊(duì)還表示在A(yíng)LMA 所拍攝圖像中可能看見(jiàn)了兩顆紅巨星此前未被探測(cè)到的伴星。為了證實(shí)是否如此，他們需要長(zhǎng)時(shí)間追蹤這些疑似伴星，看它們是否在環(huán)繞主星，如果是，那么基本就可以證實(shí)它們是伴星。

玫瑰星云是演化出鮮花形態(tài)的行星狀星云中最著名的一個(gè)。該星云位于距離地球大約5000 光年的麒麟座，圖中的“花瓣”其實(shí)是恒星產(chǎn)房。玫瑰星云的漂亮形狀是由該星云中心的年輕恒星團(tuán)發(fā)出的恒星風(fēng)和輻射塑造的，這些恒星的年齡都只有幾百萬(wàn)年。玫瑰星云中心的巨大空腔直徑約為50 光年

科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)有了行星狀星云在形成前和形成后的“快照”，但缺乏對(duì)中間過(guò)程的觀(guān)測(cè)。那么，有沒(méi)有可能觀(guān)測(cè)到行星狀星云的形成過(guò)程？迄今，電腦模擬是“觀(guān)測(cè)”行星狀星云從開(kāi)始形成到形成完畢之間數(shù)百年過(guò)程的唯一手段。電腦模擬已經(jīng)幫助科學(xué)家聚焦一種場(chǎng)景：伴星在長(zhǎng)期環(huán)繞主星，并且因潮汐力而逐漸靠近主星后墜向主星。隨著伴星旋轉(zhuǎn)著墜向主星核，伴星會(huì)失去極大量的引力能。電腦模擬表明，這會(huì)大大加速恒星失去外層物質(zhì)的過(guò)程，最快在10 年內(nèi)就會(huì)完成此過(guò)程。如果實(shí)際情況如此，加之如果科學(xué)家能知道在哪里觀(guān)測(cè)此過(guò)程，他們就可能實(shí)時(shí)目擊恒星死亡和行星狀星云的誕生。

這方面的一個(gè)候選觀(guān)測(cè)對(duì)象是長(zhǎng)蛇座V星。這顆非?；钴S的紅巨星每8.5 年就朝自己的兩極噴射子彈狀的等離子體堆，并且在過(guò)去2100 年中噴射出的物質(zhì)組成了位于其赤道平面的6 條大環(huán)。科學(xué)家在2022 年4 月宣布發(fā)現(xiàn)了這些環(huán)，并且相信這顆紅巨星有兩顆伴星。其中一顆更靠近紅巨星的伴星可能已經(jīng)摩擦過(guò)紅巨星的外層，由此產(chǎn)生等離子體拋射，而另一顆較遠(yuǎn)的伴星在俯沖轟炸軌道中控制環(huán)物質(zhì)的噴射。如果這樣，紅巨星就可能將要吞噬距離自己較近的伴星。

再來(lái)看太陽(yáng)。太陽(yáng)沒(méi)有伴星。雙星假說(shuō)似乎不涉及太陽(yáng)的命運(yùn)。有伴星的紅巨星失去自身質(zhì)量的速度比沒(méi)有伴星的紅巨星快6～10 倍，這是因?yàn)榘樾峭想x紅巨星外層的效率比紅巨星自己噴射掉外層的效率高很多。太陽(yáng)一般大小的恒星中大約一半有伴星。德馨等人的研究表明，伴星會(huì)影響恒星風(fēng)的形態(tài)，如果伴星靠紅巨星很近還可能?chē)?yán)重影響紅巨星失去自己質(zhì)量的速度。太陽(yáng)由于沒(méi)有伴星，失去自己外層物質(zhì)的速度會(huì)慢很多，因此太陽(yáng)處于紅巨星階段的時(shí)間也會(huì)長(zhǎng)得多。

不過(guò)，科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)仍有很多未解之處。例如，雖然木星是一顆行星，而不是一顆恒星，但木星重得可能像一顆伴星那樣，足以從太陽(yáng)那里拖離物質(zhì)，并且推動(dòng)吸積盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)。德馨推測(cè)，木星將會(huì)造成一個(gè)會(huì)影響太陽(yáng)風(fēng)的小螺旋結(jié)構(gòu)，如果這樣，那么太陽(yáng)可能也將最終上演炫彩大結(jié)局。