天文學(xué)家解開(kāi)大質(zhì)量恒星塵埃大小長(zhǎng)達(dá)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(gè)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(wèn)題。

有些恒星不僅發(fā)光；它們還制造未來(lái)世界的原始原料。在一項(xiàng)令人驚奇的新研究中，研究人員報(bào)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(huì)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(shuō)。

這一發(fā)現(xiàn)解決了一個(gè)關(guān)于極端恒星周圍塵埃測(cè)量結(jié)果相互矛盾的長(zhǎng)期謎團(tuán)，并增進(jìn)了我們對(duì)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(xiàng)研究聚焦于 WR 112，一個(gè)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(jiàn)、極度熾熱、瀕臨生命終結(jié)的恒星。沃爾夫-拉葉星以其強(qiáng)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(yùn)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(shí)，氣體變得壓縮和致密。隨著氣體冷卻，原子結(jié)合在一起，開(kāi)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(guò)程。

來(lái)自恒星的輻射壓力隨后將新形成的塵埃向外推。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)過(guò)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(kuò)展，就像是由恒星風(fēng)塑造的宇宙風(fēng)車。

然而，幾十年來(lái)，天文學(xué)家一直面臨一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。對(duì)類似系統(tǒng)的一些觀測(cè)表明，塵埃顆粒非常小。其他的觀測(cè)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(jiǎn)單解釋。是儀器錯(cuò)過(guò)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(qiáng)大天文臺(tái)觀測(cè)不可見(jiàn)之物

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了來(lái)自世界兩大最先進(jìn)天文臺(tái)的數(shù)據(jù)：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。

"通過(guò)結(jié)合 ALMA 的觀測(cè)和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(gè)望遠(yuǎn)鏡以不同的方式觀測(cè)宇宙。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)紅外光，對(duì)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(zhǎng)下進(jìn)行觀測(cè)。它在探測(cè)更冷、通常更大的塵埃顆粒方面極為強(qiáng)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(cè)到它們。

然而，它并沒(méi)有探測(cè)到。缺乏強(qiáng)烈的毫米波信號(hào)是關(guān)鍵線索。如果 ALMA 無(wú)法看到 JWST 探測(cè)到的擴(kuò)展螺旋，那么大多數(shù)顆粒必定太小，無(wú)法在毫米波長(zhǎng)下有效輻射。

通過(guò)對(duì)合并數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)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(tuán)隊(duì)測(cè)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(cè)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(jí)顆粒和次級(jí)的 0.1 微米顆粒群——最能再現(xiàn)觀測(cè)到的 SED，"研究作者補(bǔ)充道。

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

研究團(tuán)隊(duì)還研究了塵埃在這種極端輻射下的行為。強(qiáng)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(cè)經(jīng)常無(wú)法一致地探測(cè)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(duì)大質(zhì)量雙星系統(tǒng)向星系貢獻(xiàn)多少碳的估算。

碳?jí)m埃不會(huì)永遠(yuǎn)停留在其母星附近。隨著時(shí)間的推移，它會(huì)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(zhǎng)、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(jí)顆粒一旦離開(kāi)強(qiáng)烈的輻射場(chǎng)后能存活多久。它們會(huì)合并成更大的顆粒嗎？它們會(huì)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(lái)使用 JWST 和 ALMA 對(duì)類似系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)將有助于回答這些問(wèn)題。通過(guò)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(shí)間積累碳的模型。

"未知的東西還有很多——難以觀測(cè)到的東西，稀少的東西，"吳補(bǔ)充道。

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