上帝的權(quán)杖？天文學(xué)家在星云深處發(fā)現(xiàn)500億公里鐵棒

2025年,歐洲天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)在指環(huán)星云里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)詭異的東西。

一根鐵棒。

不是比喻,是真的鐵棒。一根長(zhǎng)達(dá)500億公里、質(zhì)量相當(dāng)于火星的鐵質(zhì)棒狀結(jié)構(gòu),筆直地橫貫在這個(gè)著名星云的中央。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上,倫敦大學(xué)學(xué)院和卡迪夫大學(xué)的天文學(xué)家主導(dǎo)了這項(xiàng)研究。論文發(fā)表后,整個(gè)天文學(xué)界都在問(wèn)同一個(gè)問(wèn)題:

這根鐵棒是哪來(lái)的?

指環(huán)星云:夜空中最美的遺物

指環(huán)星云,天文學(xué)家叫它梅西耶57,是北半球夜空中最著名的天體之一。

1779年,法國(guó)天文學(xué)家夏爾·梅西耶第一次發(fā)現(xiàn)它。從那以后的246年里,無(wú)數(shù)天文愛(ài)好者和專(zhuān)業(yè)天文學(xué)家用各種望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò)它。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的紅外圖像,更是讓這個(gè)星云的細(xì)節(jié)展現(xiàn)得淋漓盡致。

這個(gè)星云是怎么來(lái)的?它是一顆恒星臨終前的遺物。

當(dāng)一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星燒完核燃料后,會(huì)把外層氣體拋射出去,形成一個(gè)彩色的氣體殼。這個(gè)殼層在宇宙中慢慢擴(kuò)散,形成我們看到的星云。

幾十億年后,我們的太陽(yáng)也會(huì)以類(lèi)似的方式死去,把外層拋向太空,留下一個(gè)像指環(huán)星云這樣的結(jié)構(gòu)。

但現(xiàn)在,天文學(xué)家在這個(gè)被研究了246年的星云里,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)從未見(jiàn)過(guò)的東西。

WEAVE:新望遠(yuǎn)鏡看到了新世界

這根鐵棒是用一臺(tái)新儀器發(fā)現(xiàn)的,叫WEAVE(威廉·赫歇爾望遠(yuǎn)鏡增強(qiáng)區(qū)域速度探測(cè)器)。

WEAVE安裝在西班牙拉帕爾馬島的威廉·赫歇爾望遠(yuǎn)鏡上,這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡口徑4.2米,是歐洲最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡之一。WEAVE最厲害的地方是它的"大積分場(chǎng)單元"(LIFU),這是一束由數(shù)百根光纖組成的探測(cè)器。

它能做什么?它能在星云的每一個(gè)位置同時(shí)獲取光譜數(shù)據(jù)。

光譜就是把光分解成不同波長(zhǎng),就像三棱鏡把陽(yáng)光分解成彩虹。通過(guò)分析光譜,天文學(xué)家可以知道那里有什么元素,溫度多高,運(yùn)動(dòng)速度多快。

論文第一作者、倫敦大學(xué)學(xué)院和卡迪夫大學(xué)的羅杰·韋森博士說(shuō):"雖然指環(huán)星云已經(jīng)被許多不同的望遠(yuǎn)鏡和儀器研究過(guò),但WEAVE讓我們以全新的方式觀測(cè)它,提供了比以前多得多的細(xì)節(jié)。"

"通過(guò)在整個(gè)星云上連續(xù)獲取光譜,我們可以在任何波長(zhǎng)創(chuàng)建星云的圖像,并確定任何位置的化學(xué)成分。"

"當(dāng)我們處理數(shù)據(jù)并滾動(dòng)瀏覽圖像時(shí),有一樣?xùn)|西清晰得不能再清晰地跳了出來(lái)——這條以前完全未知的四倍電離鐵原子'棒',就在那個(gè)熟悉而標(biāo)志性的圓環(huán)中間。"

一根500億公里長(zhǎng)的鐵棒

這根鐵棒有多大?

它的長(zhǎng)度大約是冥王星繞太陽(yáng)軌道的500倍。冥王星到太陽(yáng)的平均距離是60億公里,這根鐵棒的長(zhǎng)度就是500億公里左右。

它的質(zhì)量呢?研究團(tuán)隊(duì)估算,這根鐵棒的鐵原子總質(zhì)量,相當(dāng)于整個(gè)火星的質(zhì)量。

火星的質(zhì)量是6.4×1023公斤,也就是640萬(wàn)億億公斤。這么多鐵原子,聚集成一根棒狀結(jié)構(gòu),筆直地橫在星云中央。

從形狀上看,這根鐵棒恰好卡在星云內(nèi)層的橢圓形結(jié)構(gòu)里。星云的外環(huán)是明亮的氧離子發(fā)出的光,呈現(xiàn)出紅、黃、綠等色彩。而這根鐵棒,發(fā)出的是四倍電離鐵原子的特征光譜。

四倍電離鐵,意味著每個(gè)鐵原子被剝掉了4個(gè)電子,處于高度電離的等離子體狀態(tài)。這種狀態(tài)只會(huì)在極高溫度下出現(xiàn)。

這根鐵棒是哪來(lái)的?

現(xiàn)在的問(wèn)題是:這根鐵棒到底是怎么形成的?

研究團(tuán)隊(duì)坦承,他們也不知道。

"我們確實(shí)需要知道更多——特別是是否有其他化學(xué)元素與新發(fā)現(xiàn)的鐵共存,因?yàn)檫@可能會(huì)告訴我們應(yīng)該追求哪一類(lèi)模型,"倫敦大學(xué)學(xué)院的珍妮特·德魯教授說(shuō),"現(xiàn)在,我們?nèi)鄙龠@個(gè)重要信息。"

不過(guò),研究團(tuán)隊(duì)提出了兩種可能的解釋。

第一種可能:恒星拋射物的殘留結(jié)構(gòu)。

當(dāng)中心恒星拋射外層氣體時(shí),拋射過(guò)程可能不是均勻的。某些方向上的拋射可能更強(qiáng)或更弱,導(dǎo)致某些物質(zhì)被壓縮成特殊的形狀。鐵棒可能就是這種不均勻拋射留下的產(chǎn)物。

但這個(gè)解釋有個(gè)問(wèn)題:為什么只有鐵?星云里還有氧、氮、碳等元素,為什么偏偏是鐵形成了這根棒?

第二種可能:行星被蒸發(fā)了。

這個(gè)解釋更加勁爆。

當(dāng)中心恒星膨脹成紅巨星時(shí),它會(huì)吞噬周?chē)男行恰Ｈ绻活w巖石行星被吞噬,它會(huì)在恒星的高溫下蒸發(fā),釋放出大量重元素,包括鐵。

地球的地核主要成分就是鐵。如果一顆類(lèi)似地球的巖石行星被中心恒星吞噬,它的鐵核可能會(huì)被蒸發(fā)成等離子體,然后在星云中凝聚成某種特殊的結(jié)構(gòu)。

這根鐵棒,可能就是一顆死去行星的遺骸。

需要更多證據(jù)

目前,兩種解釋都有可能,但證據(jù)還不夠。

研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行后續(xù)研究,計(jì)劃用WEAVE的更高光譜分辨率模式重新觀測(cè)指環(huán)星云,希望能找到更多線索。

"我們需要知道這根鐵棒里是否還有其他元素,"韋森博士說(shuō),"如果有,那會(huì)告訴我們很多信息。如果只有鐵,那又是另一回事。"

另外,研究團(tuán)隊(duì)還想知道:指環(huán)星云里的這根鐵棒,是不是獨(dú)一無(wú)二的?

"如果指環(huán)星云里的鐵棒是獨(dú)一無(wú)二的,那會(huì)非常令人驚訝,"韋森博士說(shuō),"所以我們希望,隨著觀測(cè)和分析更多以同樣方式形成的星云,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多這種現(xiàn)象的例子,這將幫助我們理解鐵從哪里來(lái)。"

WEAVE目前正在進(jìn)行8項(xiàng)巡天觀測(cè),覆蓋從附近的白矮星到非常遙遠(yuǎn)的星系。德魯教授領(lǐng)導(dǎo)的"恒星、星周和星際物理"巡天項(xiàng)目,正在觀測(cè)北天銀河系中更多的電離星云。

如果在其他星云里也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的鐵棒,那就能確認(rèn)這是一種普遍現(xiàn)象。如果沒(méi)有,那指環(huán)星云里的這根鐵棒,可能記錄了某個(gè)極其特殊的事件。

一個(gè)行星的葬禮?

讓我們回到第二種解釋:行星蒸發(fā)。

如果這根鐵棒真的是一顆行星的遺骸,那它講述的就是一個(gè)悲壯的故事。

幾十億年前,指環(huán)星云的中心恒星還是一顆正常的主序星,和今天的太陽(yáng)差不多。它周?chē)赡苡行行窍到y(tǒng),也許有巖石行星,也許有氣態(tài)巨行星。

然后,恒星的核燃料逐漸耗盡,它開(kāi)始膨脹,變成一顆紅巨星。它的表面溫度下降,但體積劇烈膨脹,吞噬了內(nèi)側(cè)的行星。

一顆巖石行星,可能類(lèi)似地球或火星,被膨脹的恒星吞沒(méi)。它的表面被燒成氣體,地幔被汽化,最后連鐵核都被融化、蒸發(fā),變成高溫等離子體。

然后,恒星拋射出外層氣體,形成今天的指環(huán)星云。而那顆行星蒸發(fā)后的鐵原子,在某種尚不清楚的機(jī)制下,凝聚成一根500億公里長(zhǎng)的棒狀結(jié)構(gòu),漂浮在星云中央。

這是一顆行星的葬禮,也是一個(gè)行星系統(tǒng)的終結(jié)。

而幾十億年后,太陽(yáng)也會(huì)膨脹成紅巨星,吞噬水星、金星,甚至可能吞噬地球。那時(shí),地球的鐵核會(huì)不會(huì)也被蒸發(fā),在太陽(yáng)拋射的星云里留下一根類(lèi)似的鐵棒?

夜空中還有多少秘密?

指環(huán)星云被發(fā)現(xiàn)246年了,被無(wú)數(shù)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò),但直到2025年,我們才在它中央發(fā)現(xiàn)這根鐵棒。

這說(shuō)明什么?說(shuō)明即使是研究得最透徹的天體,也可能藏著我們從未見(jiàn)過(guò)的秘密。

格羅寧根大學(xué)的斯科特·特拉格教授是WEAVE項(xiàng)目的科學(xué)家,他說(shuō):"在北半球天空觀察者鐘愛(ài)的夜空寶石中,發(fā)現(xiàn)這個(gè)迷人的、以前未知的結(jié)構(gòu),展示了WEAVE的驚人能力。我們期待這臺(tái)新儀器帶來(lái)更多發(fā)現(xiàn)。"

WEAVE剛剛開(kāi)始工作,未來(lái)五年它會(huì)觀測(cè)數(shù)千個(gè)天體。也許在其他星云里,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多鐵棒;也許我們會(huì)發(fā)現(xiàn)完全不同的、更奇怪的結(jié)構(gòu)。

宇宙比我們想象的更復(fù)雜,也更美麗。一顆恒星的死亡,可能吞噬了整個(gè)行星系統(tǒng),然后在星云中留下一根鐵棒,作為那個(gè)世界曾經(jīng)存在的唯一證據(jù)。

幾十億年后,太陽(yáng)也會(huì)死去,地球也會(huì)消失。也許未來(lái)某個(gè)文明會(huì)用他們的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)留下的星云,然后發(fā)現(xiàn)一根鐵棒,疑惑地問(wèn):

這是哪來(lái)的?

參考

R. Wesson et al, WEAVE imaging spectroscopy of NGC 6720: an iron bar in the Ring, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf2139