哈勃探测到红巨星“加农炮”

这些火球令天文学家们感到困惑,因为被称为V Hydrae的主星是无法将这类物质喷射至外太空的。该主星是一颗膨胀的红巨星,距离地球约1200光年,也许在最后演化阶段已经向外太空喷射了其至少一半质量。红巨星是即将死亡的恒星,在它临终前会耗尽核燃料来散发生命最后的光芒。它们膨胀后,正将其外层物质喷射入外太空。

上述四张图片展示了双星系统V Hydrae发射球状等离子气体团到外太空的过程。第一张图片展示的是两颗恒星彼此环绕轨道运行。其中一颗恒星(主星)快走到生命的尽头,已经开始膨胀成红巨星。在第二张图片中,较小那颗恒星(伴星)按其天体轨道运行已进入红巨星的大气层。在此过程中,伴星将吸收红巨星的物质并在伴星周围形成圆盘。如第三张图片所示,当吸收的物质达到阈值时,这些炙热的等离子体气团将沿伴星的旋转轴线向外喷射。如图四所示,这种喷射过程每8年重复一次,在此期间伴星环绕着轨道运行直到再次穿过红巨星的膨胀外层。

来源:NASA、欧洲航天局(ESA)、A.Field(太空望远镜科学研究院,STScI)

对此,目前最具说服力的解释是,这些球状等离子气体团来自于一颗尚未被探测到的伴星。根据该理论,该伴星轨道形状可能是椭圆形,每8.5年运行到距红巨星膨胀大气的最远处,当其到达该位置便开始吞噬主星的物质。这些被吸收的物质在伴星周围形成圆盘并作为等离子气体团的发射平台,气体团以大约每小时50万英里(约80万公里)的速度行进。

研究人员表示,将此恒星系统作为理论模型也许能够解释,为何哈勃太空望远镜能在被称之为行星状星云的濒死恒星周围,发现那些形态各异的发光物质。行星状星云是恒星演化到最后阶段喷射出的发光气体所形成的膨胀外壳。

“从之前的数据中我们已经知道红巨星会喷射出高速物质,但这是我们第一次观测到此现象的全过程,”加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室负责该项研究的第一作者Raghvendra Sahai谈到。“我们认为这颗恒星演化晚期产生的这些球状气团物质有助于人们了解行星状星云的结构。”

过去的二十年里,哈勃在行星状星云内部探测到非常复杂、多元化的构造。高分辨率的望远镜捕获了濒死恒星周围发光气体云中的结点。天文学家们推测,我们在哈勃提供的图片中发现的这些结点,就是那些尚未被观测到的伴星周围圆盘喷射出的物质。我们银河系大部分恒星都是双星系统的组成部分。但这些喷射物形成的细节依然是个谜。

“我们希望了解膨胀的红巨星蜕变成美丽闪耀的行星状星云的神奇过程,”Sahai说道。“这个充满戏剧性的蜕变过程大约需要200到1000年,在宇宙的时间长河中仅是瞬息。”

Sahai的团队利用哈勃太空望远镜的成像光谱仪( Space TelescopeImaging Spectrograph ,STIS)在11年间对V Hydrae及其周围区域进行了观测,第一次观测从2002年开始至2004年,其后是2011年至2013年。利用光谱解码来自天体的光线,得到天体的速度,温度,位置以及运动信息。

数据显示天体周围存在一串奇怪的、非常炽热的斑点,每个斑点的温度都超过17000华氏度(约9500摄氏度)- 几乎是太阳表面温度的两倍。

研究人员绘制了一张详细的斑点图,由此得以追索这个巨大斑区自1986年至今的位置。“观察,显示,这些斑点随时间进行移动,”Sahai说。“成像光谱仪的数据显示了刚喷射出的斑点和产生长、短距离位移的斑点。”成像光谱仪探测到的庞大结构体距离V Hydrae大约为370亿英里(595亿公里),是太阳系边缘冰封的柯伊伯带至太阳距离的8倍。

这些斑点随着不断地远行而逐渐膨胀及变冷,随后在可见光波长内便无法被观测到了。但2004年位于夏威夷的亚毫米波阵列望远镜在更长的亚毫米波的范围内,观测到模糊的结点结构,研究人员认为可能是400年前喷射形成的斑点。

基于观测数据,Sahai和他的同事——加利福尼亚大学的Mark Morris和纽约州立大学的Samantha Scibelli在纽约州立大学石溪分校建立了一个拥有吸积盘的伴星模型来解释喷射过程。

“这个模型提供了最合理的解释,因为我们已经了解到喷射的动力来源于吸积盘,”Sahai解释道。“红巨星并没有吸积盘,但其可能拥有诸多伴星。这些伴星的质量较小且演化较慢。我们建立的这个模型可以解释双极行星状星云的存在,此类结点喷射存在于许多天体甚至是多极行星状星云中。 我们认为这个模型具有非常广泛的适用性。”

从成像光谱仪观测结果中发现一个惊喜:伴星吸积盘每8.5年不是以固定的方向喷射团状物质。由于吸积盘内部的晃动会导致喷射物质发生方向变化。“此项发现既令人感到十分意外又非常值得高兴,因为这个现象可以帮助天文学家们解开以前观测中遇到的谜题,”Sahai说。

天文学家们已经注意到V Hydrae每17年便消失一次,像是有物体横亘地球与红巨星中令人无法观测。Sahai和他的同事认为,由于喷射流方向的来回摆动,因此球状气团在V Hydrae前、后面之间交替穿越,导致红巨星消失在视野中。当斑点从V Hydrae的前部位置离开,一颗闪耀的红巨星便又出现在眼前。

“由于吸积盘能够在几百年内喷射这些结构且不会分离,因此作为发射平台非常稳定,”Sahai说道。“在许多此类系统中,在重力的影响下伴星将以螺旋状进入红巨星的核心。最终,V Hydrae的伴星在引力的互相作用下不断损失自身能量,导致其轨道不断衰减。尽管如此,我们还是无法判断这颗伴星的最后命运。”

团队希望利用哈勃进一步观测V Hydrae恒星系统,它最近的一次斑点喷射发生在2011年。天文学家们同时计划使用智利的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米阵列(Atacama Large Millimeter ,ALMA)来研究过去几百年里的喷射物质,现在由于温度过低,因此哈勃无法观测到这些斑点。

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