韋伯眼下的宇宙千層餅?

2022-09-03 09:35:24 最後更新日期:2022-09-03 14:19:45
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

webb image of wr 140 full韋伯望遠鏡拍到的WR 140最新圖像,特殊的光稜紋其實是韋伯望遠鏡構造在影銀河系內恒星時特有的光學影像。整過氣殼的層狀結構清晰可見,唯中心的恒星系統因為過度光亮,而無法分清。(圖片來自韋伯太空望遠鏡網站)

當大家看到封面的星空照片時,大家一定會以為望遠鏡出了什麼問題或者發生光學畸變之類,望遠鏡要報廢了!然而可以負責任的告訴你,這個千層餅可是真實存在的星體結構!

WR 140 天體事實上是一個大質量星球雙星系統圍繞共同質心公轉,兩星質量分別是10倍及29倍太陽質量,每次最接近的時間大約是7.92年,最接近時大約相距1.3天文單位。較重的主星是個銀河系已相當罕有的O型恒星,無論表面溫度、能量都極為龐大,當然重力也較強。

medium 2022 08 22 caa56a3502採取較廣泛定義的話,沃爾夫-拉葉星是指因高熱而大量流失物質的大質量行星。這樣的話,處於大麥哲倫星系蜘蛛星雲、仍處於主序星階段、本星系群中至目前已知質量最大的恒星R-136A1也是已知最大的沃爾夫-拉葉星。其由幾個大質量恒星合併而成,初期質量可能達250至300倍太陽質量,但今天大約只餘下200倍左右,流失率大約為1.6/10000太陽質量 / 年。以其壽命而言,完結前可能只餘下100倍而已。(圖片來自維基百科及連結1)

至於個頭較小的伴星就更特殊。其分類上被劃分為沃爾夫-拉葉星的特殊恒星,這類恒星通常質量相當大,且已達演化晚期,其表面溫度變得高於一般恒星甚多,而且有大量物質(例如外殼中絕大部分氫及部分更重的元素)被高熱的表面吹走,成為劇烈的恒星風聚在恒星的周圍。通常大質量恒星。不過,典型的沃爾夫-拉葉星絕大部分都有20倍以上太陽質量,但這個只有10倍左右,照典型理論而言,要發展成這種特殊恒星實非常困難。

wr 140 animationWR 140的雙星軌道。兩星最遠時大約相當於太陽到天王、海王星之間的距離,所以兩星大部分時間都不會有激烈的互動,該雙星系統的氣殼產生,是周期性的。(圖片來自連結)

 這兩個恒星接近時,引力影響不但會激出更激烈的恒星風,且恒星風也會撞在一起,並引發大量的互動甚至星風物質碰撞,這種雙星稱為撞擊星風雙星(Colliding-wind binary),但一般的撞擊星風雙星很難造成這種結構,很多時就只是連續但較小的螺旋形,例子如著名的WR 104。

medium 20左為凱克望遠鏡所攝WR 104的恒星風細節。由於這雙星系統的公轉周期只有8個月左右,距離也不足2.3天文單位,故恒星風的撞擊及互相的引力拉扯幾乎是「年終無休」且呈連續的旋渦狀;右圖是WR 104所構成的恒星風,這沃爾夫-拉葉星的流失質量非常大,介乎1/1000至1/10000太陽質量 / 年,故20000年內噴出恒星物質的直徑也達6光年之大。圖片及資料來自連結1連結2

基於7年前對這恒星的研究及最新照片所示,似乎對於這種奇怪的事有個更新但具說服力的看法:事實上,這個伴星的外拋氣殼 / 恒星風,很可能是被更大質量的主星最接近時給「扯出來」的(當然,嚴格來說是互相拉扯,但主星超過兩倍的質量),而且雙方給扯出來的恒星風後的氣殼被這個更熱、紫外線更明顯的主星進一步加熱並快速向外擴散。由於每次接近大約需要7.92年,而這近8年間大部分時間兩星的距離都大到無法形成撞擊星風,所以要每次接近才能產生一個「氣泡,久而久之,就「生出」超過20層了。而且由於有O型主星的高熱紫外線激發照射些氣體或塵殼,令每個氣殼都有相當明顯的熱幅射,故韋伯望遠鏡才能精細地紀錄到其光學影像。

 medium 201A對於WR 140較近代系統性研究的開始,大約在2000年代早期。當時的地面紅外光望遠鏡,只能探測部分大氣層吸收最少的紅外光波段影像,且解像度一般,最多只見到當時兩星最近一次接近中拋出的半截氣殼而已。(圖片及資料來自連結1)

若就現時可數到的20層來說,這種事件可能已發生超過160年了,不過由於氣殼擴散或已遠離O型主星更遠,難以保持其溫度及亮度,所以若需要知道更早期是否已開始出現這個現象,恐怕韋伯望遠鏡要作更長時間的曝光才能觀測到了。另外讓人覺得奇怪的是,現時所見每層氣殼的外形都相當接近,可能和近200年來無論在軌道和表面情況而言,兩顆大質量恒星都相當穩定有關。而其特殊外形,似乎更可反映出其軌道的細節。現在看來,之前花的100億美元,似乎現在還是值得的。

301742879最近才公開的韋伯望遠鏡M74銀河紅外波段圖片,經後期著色加工後,可以看出該星系塵埃電的分佈及當中的"空泡"。這些空泡若不是恒星區大量生成後留下的欠缺氣體空間,就是給超新星爆炸"推開"。(圖片來自韋伯望遠鏡官網) 

發佈於 科學新知
By 2022-09-03

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