恆星誕生與激烈的死亡

前沿·視點

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 譯 程思淼

北京大學科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學聯合會天文發展辦公室東亞分站負責人。

這幅藝術家對SN 1987A的想像圖揭示出了超新星遺迹中寒冷的內部區域（紅色），天文學家利用ALMA在其中發現了大量的塵埃。與這一內部區域形成鮮明對比的是遺迹的外殼（蕾絲狀的白色與藍色圓環），在那裡超新星爆發的能量追上恆星在爆發前拋出的氣體外殼並與之發生碰撞。來源：Alexandra Angelich(NRAO/AUI/NSF)

何銳思（Richard de Grijs）

超新星是大質量恆星短促而燦爛一生的謝幕，是宇宙中最具災難性的事件之一。它雖然標誌著恆星的死亡，卻也觸發新元素的誕生和新分子的形成。

1987年2月，天文學家在銀河系的伴星系——大麥哲倫雲中見證了一起這樣的事件。之後對於那次爆發遺迹的觀測，揭示了很多前所未見的細節，幫助我們更加深入地了解關於恆星死亡，以及恆星中形成的元素（如碳、氧、氮）是如何流入太空並形成新的分子和塵埃。而這些新形成的顆粒，將可能進入之後若干代的恆星和行星當中。

最近，天文學家使用位於智利的先進射電望遠鏡阿塔卡馬大型毫米[/亞毫米]波陣（ALMA）直探這顆超新星SN 1987A的心臟。ALMA觀測精密細節的能力，幫助研究者繪製出了超新星遺迹中新形成的分子的複雜三維分布。研究者還發現了多種之前沒有測出的分子。

「30年前這顆超新星爆發時，天文學家對爆發如何重塑星際空間以及爆發產生的熾熱且不斷向外擴展的碎片會如何最終冷卻下來併產生新的分子，都知之甚少。」弗吉尼亞大學和美國國家射電天文台（NRAO）的天文學家雷米·因戴貝托（Rémy Indebetouw）說。

「多虧了ALMA，我們終於能在寒冷的『恆星塵埃』形成之際看到它們，並對其前身恆星本身，和超新星創造出組成行星的基本材料的方式，做出重要的觀察。」

天文學家在目前正在進行的SN 1987A研究之前，關於超新星對其周圍星際環境的影響能說出的內容不多。

那時人們很清楚的是，10倍太陽質量以上的大質量恆星，會以壯麗的方式結束自己的生命。當燃料耗盡時，它們不再有足夠的熱和能量來抵抗自身的引力。之前靠核聚變產生的能量支撐住的恆星外層，就會在強大的引力作用下向核心坍塌。坍塌在核心處遇到反彈，就引起了一場將大量物質拋入太空的大爆發。

而現在科學家已經知道，作為大質量恆星生命的最後階段，超新星對其母星系有著廣泛的影響。

「一些星系之所以呈現出今天的樣子，很大程度上是由於它們當中出現的超新星。」因戴貝托說。「儘管只有不到10%的恆星會成為超新星，它們卻是星系演化的關鍵。」

ALMA觀測到的超新星SN 1987A的遺迹。紫色指示出SiO分子發射區，黃色指示CO分子。外面藍綠色的環是將哈勃太空望遠鏡的數據3D可視化處理後得到的。來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); R.Indebetouw; NASA/ESA Hubble Space Telescope

在整個可觀測的宇宙中，超新星是非常普遍的，但是由於它們在一個銀河系大小的星系中平均每50年才出現一次，天文學家很難有機會對一顆超新星，從它開始增亮直到最後冷卻到足以產生新分子的全過程進行研究。雖然SN 1987A並不在我們的銀河系中，但它離我們很近，足夠ALMA和其他望遠鏡對它進行相當細緻的研究。

幾十年來，人們通過射電、光學、甚至X射線的觀測研究了SN 1987A，但是遺迹中的塵埃遮擋使分析超新星心臟地帶的工作變得十分困難。而ALMA能夠在毫米波段（波長介於射電波與紅外線之間的電磁波）進行觀測，這使透過中間的塵埃看到內部成為可能。

於是，研究者就能夠對新形成的分子的丰度和位置進行研究，尤其是其中的一氧化硅（SiO）和一氧化碳（CO），因為它們在亞毫米波段有明亮的輻射，正好能夠被ALMA觀測到。

ALMA新獲得的圖像和動畫顯示，在位於SN 1987A核心的一些分散但相互糾纏的塊狀區域中，一氧化硅與一氧化碳儲量巨大。科學家之前模擬了這些分子將如何以及在哪裡產生。藉助ALMA，研究者終於能獲得足夠精度的圖像來確認超新星遺迹中的這些結構，並對之前的模型進行驗證。

除了獲得SN 1987A的（靜態）三維圖像之外，ALMA的數據還揭示出它的物理條件始終在變化的有力證據。這些觀測為超新星內部物理不穩定性的研究提供了新的洞見。

ALMA早先的觀測證實，SN 1987A產生了大量的塵埃。而新的觀測則為這些塵埃是如何產生的以及遺迹中分子的類型提供了更多細節。

「我們的目標之一，是在SN 1987A中對其他分子進行不加選擇的搜索。」因戴貝托說。「我們預料到了一氧化硅和一氧化碳，因為我們之前探測到過這些分子。」

不過，他們驚喜地發現了之前從未探測到的甲醯基陽離子（HCO+）和一氧化硫（SO）分子。

「這些分子之前從未在年輕的超新星遺迹中被發現過。」因戴貝托說。「HCO+尤其有趣，因為它們的形成需要爆發時特別有力的混合。（指要將最輕的氫混進重得多的碳-氧層去——譯註）」

恆星中不同的元素是在相互分開、像洋蔥一樣的結構中形成的。當一顆恆星爆發為超新星，這些殼層就劇烈地混合起來，創造出一種有利於形成分子和塵埃的環境。

天文學家估計，超新星爆發所產生的硅原子，大約有千分之一在目前發現的遊離一氧化硅分子中，而絕大多數硅原子則已經結合成為塵埃。就是現在發現的這少量的一氧化硅分子，也超出了塵埃形成模型所預言的一百倍。

以前人們認為，如此大規模的超新星爆發，足以完全摧毀一切已經存在的分子和塵埃。

不過，這些意料之外發現的分子表明，恆星的爆髮式死亡在極低的溫度下也可以帶來分子雲和塵埃雲。這與在恆星形成的搖籃中發生的情況非常相似。

超新星SN 1987A的合成圖像。ALMA的數據（紅色）顯示了遺迹中心新形成的塵埃，哈勃太空望遠鏡（綠色）和錢德拉X射線天文台（藍色）的數據則顯示出不斷擴張的激波面。來源：Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA Hubble; NASA Chandra

左圖是由NASA斯皮策空間望遠鏡拍攝的貓爪星雲的紅外圖像。ALMA在這個星雲中發現了一顆正在經歷爆髮式成長的嬰兒期恆星。右圖是ALMA獲得的原恆星團NGC 6334I中滾滾塵埃的圖像。它比之前增亮了一百倍，並且重塑了周圍的恆星搖籃。該原恆星團中的一顆恆星正經歷一次強烈的爆髮式成長。這很有可能是由於大量的物質一次性落到了它的表面造成的。來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Hunter; C. Brogan, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); GLIMPSE, NASA/JPL-Caltech)

這些新的觀測將幫助天文學家修正他們的模型。他們還發現，現在遺迹中至少10%的碳原子是以一氧化碳分子的形式出現的，只有百萬分之幾是HCO+的形式。

英國卡迪夫大學的松浦美香子博士（Dr. Mikako Matsuura）表示：「這是我們第一次在超新星中發現這種分子。它挑戰了我們以前一度持有的，超新星爆發會摧毀恆星中一切分子和塵埃的想法。」

「我們的結果表明，當來自超新星的氣體冷卻到200℃以下，很多形成的重元素就會開始大量地結合成分子。這就形成了一座塵埃工廠。」

「最令人驚訝的是，這些分子工廠通常出現在恆星誕生的環境里。因此，大質量恆星的死亡有可能導致新一代恆星的誕生。」

ALMA正迅速成為能同時研究恆星形成的早期階段與恆星死亡細節的觀測利器。與超新星爆髮式的死亡類似，恆星的誕生也可能是一場激烈的、爆發性的事件。

一顆深藏在充滿塵埃的搖籃中的大質量原恆星，最近發出了第一聲啼哭，突然增亮近一百倍。這場看來是由星雲氣體墜向恆星所引起的爆發，支持了認為年輕恆星會經歷強烈的爆髮式成長，並且重塑周圍環境的理論。

天文學家是通過比較ALMA的最新觀測與位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡陣（SMA）之前的觀測結果而做出這一發現的。

「我們非常幸運地探測到了這顆年輕大質量恆星的華麗變身。」NRAO的托德·洪特（Todd Hunter）說。「通過用ALMA和SMA研究同一片密集的恆星形成雲，我們得以看出那裡發生的一些急速而劇烈的變化。它們在短得驚人的時間內完全改變了周圍的恆星搖籃區。」

SMA的觀測展現出一個典型的原恆星團的樣子：一片密集的、包含塵埃和氣體的雲中，孕育著幾顆仍在成長的恆星。當某一塊氣體的密度達到臨界值，它就會在自身引力的作用下向內坍塌，年輕的恆星就在這片重重包裹著的區域形成。之後，在這顆新生恆星的周圍會形成由氣體和塵埃組成的盤，通過一個漏斗形的管道將物質引導到恆星的表面，使恆星繼續成長。

2015年與2016年ALMA的新觀測揭示了，在之前SMA的觀測之後，這個原恆星團的某個部分出現了戲劇性的變化。現在，這個區域在毫米波段的亮度大約是之前的四倍，這就意味著，位於中心的原恆星的亮度是之前的近一百倍。

天文學家懷疑，這場爆發是由於一大塊物質被吸進了原恆星的吸積盤而形成了栓塞，當這塊栓塞物積累得足夠大，它就爆發，將物質一次性噴到原恆星表面。這種極端的吸積事件極大地增加了恆星的亮度，並且加熱了ALMA觀測到的那些周圍的塵埃。

「這些觀測為認為恆星的形成是由一系列劇烈的事件所造就，而非平緩持續地成長起來的理論增加了證據。」洪特總結說，「這也告訴我們，在射電和毫米波段監視年輕恆星是很重要的，因為這些波段能讓我們看到那些最年輕的、深藏在裡面的恆星形成區。」

比較兩架毫米波望遠鏡（ALMA和SMA）的觀測結果，天文學家注意到這片恆星形成雲中的一次大規模的爆發。由於ALMA更為靈敏，成像的細節也更好，可以用它來模擬SMA在2015年和2016年會看到的情景。然後從模擬得到的圖像中減去SMA之前的圖像，天文學家就能看出，MM1發生了顯著的變化，而另外三個毫米波射電源（MM2、MM3、MM4）則保持不變。來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); SMA, Harvard/Smithsonian CfA

ALMA強大威力的又一例證出現在今年四月。大約500年前，兩顆尚未成熟的原恆星發生了一次罕見的親密接觸，所引起的爆發將周圍的恆星搖籃四散炸開。今年上半年，天文學家用ALMA檢視這些已經完全散開的碎片，獲得了對這兩顆同胞恆星之間曾發生的暴力關係的新觀察。

獵戶座分子雲1號（OMC-1）是一個密集而活躍的恆星工廠。它位於獵戶座大星雲的後方，距地球約1500光年。在大約10萬年前進入形成期後不久，其中的幾顆原恆星在引力的作用下相互糾纏，並且逐漸接近。

最終，其中的兩顆也許是相互剮蹭，也許是相互碰撞，由此引發了一次大噴發，把附近的其他原恆星和數百條包含塵埃和氣體的噴流以超過150千米每秒的速度拋向星際空間。這場大噴發釋放的能量相當於太陽在一千萬年中釋放的總和。

獵戶座OMC-1星雲的合成圖像，顯示出恆星誕生的過程中有時會發生爆發。這次爆發發生在大約500年前，數顆年輕恆星在那時被拋出這一區域。ALMA數據中的顏色表示CO氣體在毫米波段發出輻射的相對多普勒頻移。疊加在ALMA圖像上的是南雙子座望遠鏡拍攝的近紅外圖像，它顯示了爆發產生的激波。來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bally; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); Gemini Observatory/AURA

現在，我們能夠從地球上看到這場壯麗爆發的余跡了。

「我們在這個一度平靜的恆星搖籃里看到的，是一場宇宙版7月4日煙火秀。巨大的噴流向四面八方發射出去。」美國科羅拉多大學的約翰·巴利（John Bally）把這一景象與每年7月4日美國慶祝獨立日的情景相比。

像在OMC-1中這樣的成群恆星，是由一團質量超過太陽數百倍的氣體在自身引力的作用下塌縮而形成的。原恆星在星雲最緻密的地方形成，並隨機地漂移。隨著時間的推移，這種隨機運動逐漸減弱，一些恆星開始落向彼此共同的引力中心。這個引力中心處通常會有一顆質量特別大的原恆星。

如果這些恆星在通過隨機漂移進入星系（即離開母星雲）之前走得太近，它們之間就會發生劇烈的相互作用。根據巴利團隊的研究，這種爆發的時間很短，如ALMA所見的遺迹只會存在幾百年。

「雖然轉瞬即逝，原恆星的爆發可能還是相當普遍的。」巴利說。「而且正如我們在OMC-1這裡看到的，這類爆發還可能通過摧毀恆星的母星雲，調節巨型分子雲中恆星形成的步伐。」

巴利和他的團隊之前用位於智利的南雙子座望遠鏡觀測到了這一特徵。這些之前在近紅外波段拍攝的圖像揭示了首尾距離長達一光年的噴流結構。

2009年，他們用SMA第一次發現了揭示這一噴流是源於爆發的線索。而ALMA的新觀測則提供了高得多的清晰度，揭示出噴流中關於CO分子分布與高速運動的重要細節。這有助於天文學家認識爆發背後隱藏的力量，以及在銀河系的恆星形成過程中發生這類事件所產生的影響。

「人們更多地會把爆發與老年恆星聯繫起來，譬如在一顆衰老的恆星表面發生的『新星』爆發，或是更加壯觀的、極大質量恆星的超新星式死亡。」巴利說，「ALMA則在恆星演化周期的另一端，在恆星的誕生處，為我們提供了關於爆發的新洞見。」

（責任編輯 馮

）
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