天文學(xué)家解開大質(zhì)量恒星塵埃大小長達數(shù)十年的矛盾之謎

WR 112 每年產(chǎn)生的塵埃相當(dāng)于三個月球的質(zhì)量，這引發(fā)了關(guān)于星系如何構(gòu)建和回收碳的新問題。

有些恒星不僅發(fā)光；它們還制造未來世界的原始原料。在一項令人驚奇的新研究中，研究人員報告稱，宇宙中最大質(zhì)量、壽命最短的恒星之一，正在產(chǎn)生直徑僅有幾十億分之一米的微小塵埃顆粒。
"令人驚嘆的是，宇宙中一些最大質(zhì)量的恒星，在死亡之前會產(chǎn)生一些最微小的塵埃顆粒。恒星與其產(chǎn)生的塵埃之間的尺寸差異大約是一百億億比一，"該研究的主要作者、加州理工學(xué)院的研究員吳東林說。

這一發(fā)現(xiàn)解決了一個關(guān)于極端恒星周圍塵埃測量結(jié)果相互矛盾的長期謎團，并增進了我們對星系如何播撒碳（構(gòu)成生命骨架的元素）的理解。

相互矛盾的恒星局面

這項研究聚焦于 WR 112，一個不尋常的雙星系統(tǒng)，其中包含一顆沃爾夫-拉葉星——一種罕見、極度熾熱、瀕臨生命終結(jié)的恒星。沃爾夫-拉葉星以其強大的恒星風(fēng)和短暫的生命周期而聞名。它們迅速消耗掉燃料，并向太空拋射出大量物質(zhì)。

在 WR 112 系統(tǒng)中，沃爾夫-拉葉星環(huán)繞著一顆伴星運行。兩顆恒星都發(fā)出高速的氣流。當(dāng)這些恒星風(fēng)相撞時，氣體變得壓縮和致密。隨著氣體冷卻，原子結(jié)合在一起，開始形成固體顆粒。這就是宇宙塵埃在這種劇烈環(huán)境中誕生的過程。

來自恒星的輻射壓力隨后將新形成的塵埃向外推。隨著時間的推移，這個過程創(chuàng)造了引人注目的螺旋弧線，這些弧線從雙星系統(tǒng)向外擴展，就像是由恒星風(fēng)塑造的宇宙風(fēng)車。

然而，幾十年來，天文學(xué)家一直面臨一個復(fù)雜的問題。對類似系統(tǒng)的一些觀測表明，塵埃顆粒非常小。其他的觀測則表明存在大得多的顆粒，大約是十分之一微米。

這些相互矛盾的結(jié)果很難簡單解釋。是儀器錯過了什么？還是某些尺寸的顆粒在這些惡劣條件下被摧毀了？

借助兩大強大天文臺觀測不可見之物

為了解開這個謎團，研究團隊結(jié)合了來自世界兩大最先進天文臺的數(shù)據(jù)：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。

"通過結(jié)合 ALMA 的觀測和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的圖像，我們能夠分析 WR 112 的空間分辨光譜能量分布，"研究作者指出。

每個望遠鏡以不同的方式觀測宇宙。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡探測紅外光，對溫暖的塵埃特別敏感。它的中紅外圖像已經(jīng)揭示了 WR 112 周圍明亮的螺旋塵埃結(jié)構(gòu)。

位于智利的 ALMA 則在毫米波長下進行觀測。它在探測更冷、通常更大的塵埃顆粒方面極為強大。如果 WR 112 的螺旋中存在大量更大的顆粒，ALMA 應(yīng)該能清晰地探測到它們。

然而，它并沒有探測到。缺乏強烈的毫米波信號是關(guān)鍵線索。如果 ALMA 無法看到 JWST 探測到的擴展螺旋，那么大多數(shù)顆粒必定太小，無法在毫米波長下有效輻射。

通過對合并數(shù)據(jù)進行建模，研究人員確定螺旋中的大多數(shù)顆粒小于一微米——而且其中絕大多數(shù)直徑僅有幾納米。一納米是十億分之一米。

大質(zhì)量恒星與其產(chǎn)生的塵埃之間的尺寸差異大約是一百億億比一。有趣的是，分析揭示了兩個截然不同的顆粒群。主導(dǎo)群由納米大小的顆粒組成，而較小的一部分顆粒直徑約為 0.1 微米。

研究團隊測試了幾種可能的顆粒大小模型，看哪種與數(shù)據(jù)最匹配。"在我們測試的四種顆粒半徑分布參數(shù)化模型中，雙峰分布——即豐富的納米級顆粒和次級的 0.1 微米顆粒群——最能再現(xiàn)觀測到的 SED，"研究作者補充道。

這種雙重尺寸結(jié)構(gòu)有助于調(diào)和數(shù)十年來相互矛盾的觀測結(jié)果：微小和較大的顆粒同時存在，但最微小的顆粒占主導(dǎo)地位。

研究團隊還研究了塵埃在這種極端輻射下的行為。強烈的光線和高能環(huán)境可以侵蝕或蒸發(fā)顆粒。他們的發(fā)現(xiàn)表明，中等大小的顆粒可能特別脆弱，這可以解釋為什么早期的觀測經(jīng)常無法一致地探測到它們。

宇宙影響與后續(xù)步驟

WR 112 是其同類恒星中最多產(chǎn)的塵埃生產(chǎn)者之一，每年產(chǎn)生的塵埃量大約相當(dāng)于地球月球質(zhì)量的三倍。

由于這些塵埃富含碳，了解其尺寸分布直接影響到對大質(zhì)量雙星系統(tǒng)向星系貢獻多少碳的估算。

碳塵埃不會永遠停留在其母星附近。隨著時間的推移，它會飄移到星際空間，與氣體云混合，這些氣體云最終可能坍縮形成新的恒星和行星。如果微小的顆粒占主導(dǎo)地位，它們的行為可能與較大的顆粒不同——從而影響塵埃如何生長、存活或參與行星形成。

仍有許多未解之謎。例如，科學(xué)家需要確定這些納米級顆粒一旦離開強烈的輻射場后能存活多久。它們會合并成更大的顆粒嗎？它們會在星際空間中被沖擊波摧毀嗎？WR 112 是典型代表，還是沃爾夫-拉葉雙星系統(tǒng)中的特例？

未來使用 JWST 和 ALMA 對類似系統(tǒng)進行觀測將有助于回答這些問題。通過研究更多的恒星塵埃工廠，天文學(xué)家旨在完善關(guān)于星系如何隨時間積累碳的模型。

"未知的東西還有很多——難以觀測到的東西，稀少的東西，"吳補充道。

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