互动科普

寻常恒星的壮丽死亡

太阳在50亿年后寿终正寝之时将演出引人入胜的一幕奇景。同其他类日恒星一样，太阳死亡后将形成自然界中别具魅力的一件艺术作品行星状星云。

Bruce Balick，Adam Frank

站在华盛顿大学的天文楼上举目四望，一眼就可看到玻璃艺人Dale Chihuly的作坊。Chihuly以一手玻璃雕刻的绝活著称于世。他的雕刻工艺品色彩鲜艳，轮廓平滑，仿佛一群群生机勃勃的海底动物。把这些雕刻作品放在黑暗的房间里用强光照明，原来僵硬的玻璃造型在一束束摇曳光线的交相辉映之下，顿时显得栩栩如生。黄色的水母和红色的章鱼疾速穿行于蓝绿色的海水之间，一大片深海海草随着潮水的涨落而摇摆起伏。两只粉彩光泽的扇贝紧紧拥抱在一起，犹如一对热恋中的情人。

对于天文学家来说，Chihuly的作品引起了另外一种共鸣，几乎没有什么人类作品能像Chihuly的玻雕一样巧夺天工，生动形象地重现出一类名为行星状星云的天体结构的壮美景观。这些气态结构被燃料即将耗尽的恒星从内部照亮，灼热的原子和离子发出的荧光将其点缀得五彩缤纷，在暗黑宇宙的背景下熠熠生辉，活灵活现。研究人员给它们取了诸如“蚂蚁”、“孪生海星”和“猫眼”之类的名字。哈勃太空望远镜给这些天体摄下的照片，完全可跻身于最动人心魄的太空图像之列。

行星状星云是两个世纪以前英国天文学家威廉·赫歇尔发明的术语，其实这个名称并不恰当。赫歇尔堪称一位发现行星状星云的高手。这类星云是一些模糊不清的云雾状天体，只有用望远镜才看得见。许多行星状星云大致呈圆形，令赫歇尔回想起他发现的那颗淡绿色的行星——海王星，因而赫歇尔猜测它们或许是正在年轻恒星周围形成的行星系统。后来天文学家们发现，实际情况刚好相反，这类星云其实是由即将消亡的恒星抛出的气体组成的。它们并非展现我们太阳系过去的历史，而是在预示太阳的未来和它的最终归宿。大约50亿年后，太阳将在行星状星云诞生的优雅精致的狂暴之中终结自己在宇宙的存在。尽管如此，“行星状星云”这个名称仍然保留了下来。

同所有非凡的艺术作品一样，行星状星云不仅仅是令人目眩神迷，它也使我们开始反思人类对世界的看法。特别是行星状星云对恒星演化的理论提出了挑战。此理论描述了恒星一生的历史，是一门似乎无懈可击的成熟科学，因而构成了我们对整个宇宙的全部认识的基石之一。但是这个理论在解释哈勃望远镜图像中那些明显可见的复杂结构时遇到了麻烦。如果恒星从问世到消亡，终其一生都是圆的，那它怎么会产生形如蚂蚁、海星和猫眼之类复杂的形状呢？

寿终正寝

在过去一个世纪中，天文学家们逐渐认识到恒星死亡的过程显然可以分为两种不同的类型，在诞生时其质量就超过8个太阳质量的少数大质量恒星通过剧烈的超新星爆炸而突然一命呜呼，其他类似太阳的恒星其死亡的过程就拖得比较长了。它们不是死于突然的爆炸，而是在其一生的最后岁月中间歇地消耗其燃料，就像一台汽油即将耗尽的汽车发动机一样。

恒星内核所发生的核反应是恒星差不多一生中的能量来源。这些反应首先消耗掉可用的氢，然后是氦。当核反应开始耗用位于内核外面的壳层中的新鲜燃料时，恒星就会发生膨胀，变成所谓红巨星。该层中的氢也耗尽之后，恒星就转而以该层的氦作为聚变反应的原料。在这一过程中，恒星逐渐变得不稳定。深处的剧烈震荡再加上辐射压力以及其他力的作用，把已经膨胀且相互间结合已很松散的恒星表面层向外抛入太空，形成行星状星云。

自18世纪以来，天文学家已获取了约1500个行星状星云的图像并对其进行了编目分类，另外还有约1万个行星状星云可能隐藏在银河系稠密的尘埃云后面。银河系中的超新星爆炸几个世纪才发生一次，但平均每年都有一个新的行星状星云粉墨登场，同时数以百计较老的行星状星云则在逐渐变暗。超新星爆炸或许较为壮观，但它们留下的遗迹具有动荡混沌的特点，缺乏行星状星云的对称性和复杂性。

从图像上看，行星状星云似乎显得轻盈而平静，但实际上并非如此。相反，行星状星云不但质量相当大，而且动荡不定。每个行星状星云容纳的东西相当于太阳质量的1/3左右，包括恒星未烧完的几乎全部剩余核燃料。开始时，松散结合的恒星外层中所含物质以每秒10至20千米的速度飞离恒星，这一相对较慢的外流风将携带星云最终质量的大部分。当恒星的外层逐渐剥去，露出其依然炽热内核时，恒星就从橙色转为黄色，然后是白色，最后是蓝色。当其表面温度超过2.5万开氏度时，它将发出强烈的紫外光照射其周围的气体，这些紫外光的能量高得足以使分子分解并夺去原子的外层电子。

随着时间的推移，恒星风带走的质量越来越少，而其速度则越来越快。10万到100万年之后（时间长短取决于恒星的初始质量），恒星风将完全停息下来，剩下的恒星遗骸成为一颗密度极大、温度极高的白矮星，即恒星燃烧后的余烬被重力压扁后所形成的一个近于结晶态的球体，大小与地球相仿。

以往推测把物质从垂死恒星上剥离下来的力呈球对称分布，因此在1980年代之前，天文学家们曾一度认为行星状星云可能是一些不断膨胀的球状气泡[参见《Scientific American》1963年第四期“Planetary Nebulane”]。但自那时以后，我们对行星状星云的认识日益复杂深入，了解到的细节也更引人入胜。

陷入困境的假说

1978年，紫外观测揭示，垂死恒星在抛出其外侧气体层之后很久仍然在继续吹出恒星风，这是表明行星状星云并不仅仅是恒星“打嗝”的产物的第一个证据。这些后来的恒星风尽管很稀薄，但其速度却高达每秒1000千米，相当于早先那些较稠密的恒星风的百倍之多。

为了解释这些恒星风的作用，加拿大卡尔加里大学的Sun Kwor、加拿大自治领射电天体物理观测台的Christopher R. Puton以及滑铁卢大学的M. Pim Filzgerald借鉴了一种用于解释其他天体物理学现象的恒星风模型。这一模型认为，当较快的恒星风冲进其前方的低速恒星风中时，就会在两者之间的界面处形成一个稠密的压缩气体圈，就像雪橇前部的一圈雪堆。这个气体圈包围着一个几乎空空如也但却非常炽热的腔形区域；随着时间的推移，高速恒星风清扫出的范围将越来越大。

这个模型现在称为“互动恒星风假说”，它对于圆形或近乎圆形的行星状星云给出了相当圆满的解释。然而观测人员在1980年代开始意识到，圆形行星状星云属于一种特例，在全部行星状星云中仅有10%是圆的，而其他行星状星云有许多呈扁长形，像鸡蛋一样。最壮观的星云有两个气泡，分别位于垂死恒星相对的两边，但这种星云非常罕见。天文学家称其为“双极”星云，不过称它们为“蝴蝶”或“沙漏”星云可能更形象一些。

为了解释这类形状，本文的两位作者与当时在荷兰莱顿大学的Vincent lcke及Garrelt Mellema合作，进一步发展了互动恒星风的构想。假定低速恒星风首先形成了一个绕恒星赤道的稠密环圈，随后这个环圈使外流的恒星风朝两级方向略微偏转，从而形成一个椭圆形的星云。沙漏状星云则是由包得很紧且非常稠密的环圈产生的。此时环圈起着喷嘴的作用，就像你在吹口哨时的两片嘴唇那样，嘴唇把呼出的气体挤成一股细细的空气喷流。类似地，环圈使高速恒星风发生强烈的偏转，形成一对呈镜像对称分布的喷流或沙漏状的气流。

这一模型简单明了，能够圆满地解释到1993年为止所能发现的所有各种星云图像。超级计算机的模拟证实其基本概念是站得住脚的，而新的观测结果则证明低速恒星风在赤道附近的密度更大。当时我们并未着手解释为什么低速恒星风会形成一个环圈，只是希望具体的细节问题会在今后得到解决。

我们对这个模型的信心很快就动摇了。1994年，哈勃望远镜拍下了一个名为“猫眼”的行星状星云的首张清晰图像（此星云编号为NGG6543，是赫歇尔最先观测到的。）这幅至关重要的图像给了我们当头一棒。此星云有两个交叉的椭圆形结构，其中之一是围绕着一片椭球状空腔区域的细环圈，它与我们的模型相符。然而其他各种结构是些什么东西呢？当时没有任何人预测过此星云会分布着一些块状的红色区域，而星云外的那些喷流状条纹就更加古怪了。互动恒星风模型至多只能说是部分正确的。

考验理论家

即使有了哈勃望远镜拍摄的这类图像，要想推翻一个已经深入人心的科学理论也并非易事。我们出于职业习惯而难以接受这一事实，希望猫眼星云不过是一种反常情况而已。但后来的观测表明，该星云并非另类。哈勃望远镜拍摄的其他图像无可置疑地证明，我们关于恒星死亡过程的理论少了某个基本环节。撇开个人的功名不论，这正是科学家们发现自我的最佳机会。当你珍爱的理论在自己脚下轰然倒塌之时，大自然实际上是在激励你重新审视世界：想想你到底忽略了什么东西？此前你还有哪些地方没有考虑到？

面临这样的局面，集中精力考虑最极端的情况或许会有所助益，因为在此类情况中那些未知的成形力可能会发挥最明显的作用。在行星状星云中，最极端的情况是双极星云。哈勃望远镜拍摄的双极星云图像多姿多彩，仿佛出自美国画家Georgia O’Keeffe所创作的那些精美的花卉作品。双极星云中的小尺度结构都是以镜像对称的方式成对出现，星云的两侧各有一个。这种反射对称意味着整个结构是通过在恒星表而附近发挥作用的有组织的过程以统一的方式组合起来的，有点象雪花或向日葵发育的过程一样。

对于这类星云，由互动恒星风模型可产生一个很容易检验的预测，即一旦气体离开环圈，它就将以稳定的速度向外流动，从而在气体发出的光中产生一种明显的多普勒频移效应。遗憾的是该模型未能通过这一检验。1999年，本文作者之一（Balick）和目前在加那利群岛天体物理学研究所的Romano Corradi同他们的合作者一起，用哈勃望远镜考察了编号为He2-104的南蟹状星云。他们发现，这个星云各处的膨胀速度与其至恒星的距离成正比。离恒星最远的气体之所以走得最远就是因为它跑得最快。照此倒推回去，这个可爱的沙漏状星云似乎是在5700年以前通过恒星的一次喷发而形成的。此发现使得互动恒星风模型同这个星云完全对应不上，因为该模型认为这个星云是由连续的恒星风所形成的。

更奇怪的是，Corradi和他的同事们发现，南蟹状星云其实是两个星云，其中一个套在另一个里面，就象俄罗斯套娃一样。我们曾猜想，里面那个星云应是两者中较年轻的一个，然而观测结果清楚地揭示，两个星云具有完全相同的膨胀速度随距离而增加的规律，因而这整个复杂结构必定形成于6000年前登台的一次壮丽堂皇的宇宙事件期间。迄今我们仍在煞费苦心地想要弄清这些发现背后所隐藏的奥秘。

1990年代后期，美国加州帕萨迪纳喷气推进实验室的Kwok、Raghvendra Sahai和John Trauger，以及伊利诺斯大学的Margaret Meixner及其合作者们公布了哈勃望远镜拍摄的一类新照片，从而宣告了互动恒星风模型的最终出局。他们的目标是非常年轻的行星状星云，这些照片摄于恒星加热星云并使之离子化之前或之后不久。天文学家们曾预测这类星云与较成熟的星云相比，除小一些以外，其他方面应该没有多大差别。然而事实证明我们又错了，胚胎期及年轻的行星状星云具有更活泼的外形，它们的多重对称轴完全无法用我们假设的喷嘴来解释。Sahai与Trauger在其1998年那篇有关这类星云的论文中暗示，应该抛弃传统思维，开辟一条新的思路了。

翻滚的锅

解释行星状星云的形成和发展过程的成功理论，其要点目前正在陆续浮出水面。关键的问题是要建立一些能够解释所有各种令人大伤脑筋的观测结果的模型。研究人员现在一致认为，最重要的因素之一是伴星的引力作用。我们在夜空中所看到的一颗颖恒星，至少有50%其实是彼此绕对方旋转的一对恒星。在大多数这类双星系统中，两颗恒星相距很远，因此它们的演化过程是相互独立的。但在少数双星中，一颗恒星的引力能够偏转乃至控制另一颗恒星中流出的物质，而这类星所占的比例与双极星云在行星星云中所占的比例相同。

太空望远镜科学研究所的Mario Livio以及他从前的学生、特克尼以色列理工学院的Noam Soker早在伴星影响说开始走红之前许多年就提出了这一想法[见《科学》1992年第9期“行星状星云”]。按照他们的模型，伴星捕获了从垂死恒星流出的物质。在其轨道小于水星轨道，且轨道“年”短得以地球日计的双星中，这种物质的转移很不方便。等到垂死恒星抛出的物质到达伴星时，伴星已经在自己的轨道向前跑出很远了。这样，通过潮汐作用从较大的垂死恒星中拉出的物质就形成了一条从后紧追着密度较大的伴星的尾巴，这尾巴最终将成为一个围绕着伴星旋转的稠密而厚实的盘状结构。随后自模拟证明，即使伴星的轨道大得与海王星的轨道不相上下，它也能拉出一个吸积盘来。

星云的传奇故事还有一个颇为吸引人的情节。随着垂死恒星的膨胀变大，它可能把其伴星和吸积盘都进去。这一吞吃的结果就是宇宙消化不良的一个例子。伴星和吸积盘将在较大恒星的体内沿螺旋形轨道运动，从内部重塑该恒星并使其变平。外流物质可能会猛烈地摆来摆去，形成一些弯曲的喷流。伴星将逐渐深入垂死恒星内部，最终与它的核心合并成一体，到此时物质的外流就中止了。这一过程可以解释为何有些星云似乎是由突然中断的外流所产生的。

磁场的作用

有可能影响行星系星云形成过程的因素并不止双星系的伴星这一个。嵌在主恒星中或绕伴星形成的吸积盘中的强磁场或许是另一个参与此过程的角色。空间中的气体有许多是电离了的，因此磁场可以支配这些气体的运动。强磁场有如绷紧的橡皮圈那样塑造出气体流的形状，就像地球磁场捕获来自太阳风的粒子并将其驱往两极地区而产生极光一样。反过来，强恒星风也可以拉长并弯曲磁场或使其缠在一起。

1990年代中期，弗吉尼亚大学的Roger A. Chevalier和Ding Luo提出，外流的恒星风可能携带着环形的磁场。气体与磁场之间的拉锯战可以把外流气体弄成稀奇古怪的形状。遗憾的是这个模型预测磁场开始时必定很弱，并且对于恒星风的产生不起任何作用，这就遇到了一个很大的问题，因为恒星表面的活动磁场对于恒星风的产生似乎是有影响的。

另一条途径是考察强磁场如何把物质抛入空间。当对流搅动垂死的恒星时，嵌在恒星内核上的磁场便随着浮起的气体上升到恒星表面。如果恒星内核在迅速旋转，磁场便会像弹簧一样卷绕起来。磁场一旦冲出恒星表面，就会抓住物质并将其向外抛。类似的过程也可能出现在磁化的吸积盘中。事实上，恒星与吸积盘可能各自产生一批恒星风。我们在年轻的行星状星云中观测到的各种稀奇古怪的多极形状，有一部分或许就是起源于这些恒星风走向的不一致。本文作者之一（Frank）与罗彻斯特大学的Eric G. Blackman和麦克马斯特大学的Sean Matt及其同事们一起，正在对这类效应进行研究。关键在于磁场同双星一样提供了若干额外的力，这些力能够产生千奇百怪的多种形状，令互动恒星风模型望尘莫及。

我们对分崩离析的恒星如何被打造成行星状星云这一过程的认识已取得了某些进展，但仍未达到成熟的地步。对恒星死亡过程的总的描述已基本获得认可。恒星的演化过程使它的发动机在快要停息下来时会间歇地猛烈发力，把恒星外层抛到周围太空中去。事实上，关于恒星构造和演化的理论是20世纪中最成功的科学理论之一。这一理论圆满地解释了绝大多数恒星的观测结果，包括恒星输出的光量、颜色乃至其大部分奇特性质，特别是在恒星生命刚刚开始和即将结束的阶段上。

在距罗彻斯特大学不远的伊斯特曼音乐学院，一批世界上最有才华的音乐家和作曲家每天都在冥思苦索如何把他们那些富有创造性的想象表达出来。我们这些研究类日恒星死亡过程的天文学家的情况与他们颇为相似。我们相信我们已经发现了垂死恒星操纵其外流物质的手段，而我们尚未认识到的是这些手段是如何有机地整合起来，打造出一个如行星状星云这般具有和谐结构的图景？恒星风的动力源于何处？伴星何时发挥重要作用？磁场扮演了何种角色？多瓣星云是如何形成的？

除了我们之外，天体物理学家中对哈勃望远镜和其他仪器在过去10年内获得的众多谜一般的图像感到惊叹、迷惑并从中受到激励的还大有人在，几乎每一个天文研究领域都有一段类似的故事。新的资料迟早总会颠覆各个研究领域中最出色的理论，进展的本质就是如此。新的发现往往扮演着破坏者的角色，它把老旧的理念打扫出局，为即将出现的巨大进展（常常也是令人晕头转向的进展）开辟道路。构筑科学理论的目的是为了应用它，而人们对任何理论必然都有一个怀疑、检验并改进的过程。

郭凯声/译

赵庚新/校