数十亿年后，当我们恒星太阳走向生命尽头时，太阳中心的氦核会开始聚变。随后，太阳急剧膨胀，变成一颗红巨星。当它轻而易举地吞下水星、金星和地球后，会膨胀得如此巨大，大到无法再留住最外层的气体和尘埃。
在一场绚丽的落幕中，太阳会将最外层的气体和尘埃抛射到太空中，形成一层霓虹灯般的美丽光帷，继续发光数千年，然后逐渐熄灭。
银河系中点缀着成千上万朵这种如宝石般光芒四射的纪念物，即行星状星云。这些垂死恒星的质量范围在太阳质量的一半到八倍之间。质量更大的恒星消亡过程会更加剧烈，形成我们所说的超新星爆炸。行星状星云的形状千奇百怪，令人惊叹，正如南蟹状星云、猫眼星云和蝴蝶星云的名字所暗示的那样。这些星云虽然美丽炫目，但却一直是天文学家心中的未解之谜。那么，一只绚丽的宇宙蝴蝶是如何从一颗平平无奇的红巨星中破茧而来的呢？
观测资料和计算机模型都指向同一个解释，这个解释或许在 30 年前看起来颇为荒谬，那就是，大多数红巨星的引力范围内藏着一颗远比它的个头小得多的伴星。正是这颗伴星塑造了行星状星云千奇百怪的形状，就像陶匠在陶轮上塑捏陶器那样。
美国航天局（NASA）的新的韦布空间望远镜揭示了南环状星云非凡的细节。该星云属于行星状星云，位于距船帆座约 2500 光年处。左侧的近红外图像展示了壮观的同心圆状气体壳层，记录了垂死恒星爆发的一幕。右侧的中红外图像清楚地区分了星云中心的垂死恒星（红色）和伴星（蓝色）。星云中的所有气体和尘埃都是由红色恒星散射出来的。
先前关于行星状星云形成的主要理论都是围绕单颗恒星的，仅研究了红巨星本身。由于红巨星对其外层物质的引力微弱，因此，在消亡的最后阶段，红巨星会迅速失去质量，每一百年损失的质量多达总质量的 1%。红巨星表层之下，像一壶烧开的滚水，翻流涌动，导致其最外层脉动收缩与膨胀。天文学家推测这些脉动产生的冲击波会将气体和尘埃喷射到太空中，形成我们常说的“星风”。然而，要完全排出这些物质，避免它们再次坠入恒星，则需要大量能量。星风有着火箭喷射般的巨大力量，绝不是一阵轻柔的微风。
红巨星的外层逃逸后，其较小的内层会坍缩成白矮星。坍缩后形成的白矮星甚至比原来的红巨星更热更亮。白矮星继续照亮并加热逃逸的气体，直到气体自身发光，进而形成我们平时看到的行星状星云。以天文学标准来看，整个过程其实非常迅速；但以人类标准来看，这个过程就很缓慢，通常要耗上几个世纪甚至几千年的时间。
直到 1990 年哈勃空间望远镜发射之前，华盛顿大学的天文学家布鲁斯・巴利克（Bruce Balick）说道：“我们很有把握能理解这整个过程。”然后，他和他来自纽约罗切斯特大学的同事亚当・弗兰克（Adam Frank）在奥地利参加了一个会议，并在会议上看到了哈勃空间望远镜拍摄的第一批行星状星云的照片。“我们出去喝咖啡的时候，一看到这些照片，就知道情况完全变了。”巴利克说道。
天文学家曾经认为，红巨星是球对称的。那么，一个圆形的恒星按理说应该会产生一个圆形的行星状星云。但是哈勃空间望远镜拍摄到的情况却大相径庭。“许多行星状星云明显具有异乎寻常的轴对称结构。”来自罗切斯特理工学院的天文学家乔尔・卡斯特纳（Joel Kastner）如是说。哈勃空间望远镜拍到了奇异的的瓣状、翅状等其他形状的结构，这些结构并非圆形，而是围绕星云的主轴对称，就像是在陶匠的轮盘上转着捏出来的一样。
在地基天文台捕获的早期照片中，南蟹状星云看起来有四条弯曲的“腿”，像只螃蟹一样。但哈勃空间望远镜捕获的详细图像显示，这几条“腿”其实是两个沙漏状星云气泡的侧面。气泡的中心有两股气体喷流，两股气体物质的交汇之处有一个“结”，这个“结”或许在遇到恒星之间的气体时就会发光。南蟹状星云位于离地球数千光年之远的半人马星座的中心，该星云曾释放过两次气体。一次是在大约在 5500 年前，在这次释放中形成了外部的“沙漏”状星云气泡，另一次释放气体是在大约 2300 年前，在这次释放中形成了内部更小的一个“沙漏”状星云气泡。出处：改编自美国航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和空间望远镜研究所 A 区（A. Feild STScI）
2002 年，布鲁斯・巴利克和亚当・弗兰克在在《天文学和天体物理学年评》（Annual Review of Astronomy and Astrophysics）上发表了一篇文章，来记录当时的科学家们对于上述结构的起源的辩论。一些科学家认为，这种轴对称性是由红巨星的旋转方式或磁场造成的，但这两种想法都经不起一些基础的检验。因为当恒星膨胀时，无论是旋转还是磁场，按理说都应该同步减弱。然而，红巨星质量损失的速率在其消亡的最后阶段却变得越来越快。
还有一种假说就是：大部分行星状星云并不是由一颗，而是由一对恒星形成的。来自悉尼麦考瑞大学的天文学家奥索拉・德马科（Orsola De Marco）称之为“双星假说”。在这种情况下，第二颗恒星比红巨星小得多，亮度比红巨星暗上千倍，照地球和太阳的距离与木星一样远。因为两者间的距离足够远，这样一来，第二颗恒星就可以在不会被吞噬的情况下干扰红巨星。（当然还有其他可能性存在，比如俯冲轨道假说，即第二颗恒星每隔几百年就会接近红巨星，从中剥离出一层物质。）
双星假说很好地解释了垂死恒星的第一个转变阶段，即：当伴星将尘埃和气体从主星上吸走时，这些物质并不会立即被吸入伴星，而是形成一个由物质构成的转盘，也就是伴星轨道平面上形成的吸积盘。这个吸积盘就像是陶匠的转盘一样。如果盘中带磁场，就能把任何带电气体推出盘面，并朝着旋转轴的方向推进。但是，即使吸积盘不带磁场，盘中的物质也会阻碍轨道平面上的气体向外流动，从而使气体呈现出双叶状结构，加快气体流向两极的速度。这正是哈勃空间望远镜在行星状星云的图像中所看到的情况。“如果假设存在一颗伴星就能很好地解释这一现象，那么我们还为什么要寻找一个更加复杂的解释呢？”德马科说道。
左图：蝴蝶状星云，位于蛇夫座，距离地球 2400 光年，呈沙漏状，伴随两股快速流向极点的气体。这些气体是于大约 1200 年前由中心恒星喷射出来的。右图：猫眼星云，位于天龙座，距离地球 3300 光年，带有十一个同心环状的尘埃环。天文学家估计，这些尘埃每隔 1500 年释放一次。至于如此复杂的内部结构是如何形成的，天文学家至今仍无法确定。“猫眼星云的确很奇怪，我也不知道我能不能解开这团星云身上的谜团。”天文学家亚当・弗兰克表示。出处：欧洲航天局 / 哈勃空间望远镜、美国航天局；特别鸣谢：JUDY SCHMIDT（左图）；美国航天局，欧洲航天局，哈勃遗珍档案，钱德拉 X 射线天文台；编辑与版权：RUDY POHL（右图）
然而，由于无法探测到伴星，一些天文学家并不认可双星假说。2020 年，比利时鲁汶大学的天文学家琳・德辛（Leen Decin）写道，一位著名的天体物理学家告诉她：“你知道吗，琳，这一切看起来太梦幻了，观测结果太迷人了。现有的先进模型已经能够很好地解析数据了。但究根结底，我们还是应该只相信实际的观测结果，对吗？”
然而，在过去的 10 到 15 年里，形势稳步逆转。新型创新望远镜揭示了红巨星在变成行星状星云之前的状况。望远镜捕捉到的画面显示，一些红巨星周围环绕着漩涡结构和吸积盘。这正如存在第二颗恒星从红巨星上吸取物质的假设预期的那样。在某几次探测中，天文学家甚至可能早已侦测到了伴星本身。
德辛和她的同事们尤其依赖于智利的阿塔卡马大型毫米 / 亚毫米波阵 (ALMA) 来侦测，该设备于 2011 年开始运行。ALMA 由 66 个射电望远镜组成，这些望远镜协同作业，呈现出天体的图像。德辛表示：“ALMA 提供的图像不仅涵盖范围广，而且光谱分辨率很高。因此能帮助人们理解天文动力学和速度。”对于科学家来说，速度是解析星风和吸积盘难题的关键。
位于智利的 ALMA 能帮助天文学家在红巨星形成行星状星云之前，绘制其周围的星风图像。每张图像的左上角都标有恒星的名称。恒星向外喷出的星风形成了各种结构，如盘状、螺旋状和玫瑰状。这种现象印证了红巨星周围有一颗伴星绕其运行的理论。红色表示气体往远离观测者的方向移动，蓝色表示气体朝向观测者移动。1 天文单位（AU）是指从地球到太阳的距离。比如，海王星距离太阳的距离约为 30 AU。伴星很可能比主恒星更靠近观测者，但是由于主恒星的光太耀眼了，所以我们无法观测到伴星。
ALMA 观测到了十多颗红巨星周围的漩涡形或弧形结构，几乎可以确定，这就是红巨星散发的物质，并向这些物质正朝着伴星螺旋运动。这些漩涡结构与计算机模拟结果高度吻合，并且旧有的星风模型无法解释这一现象。在 2020 年的《科学》（Science）杂志上，德辛发表了初步研究结果。又过了一年，德辛在《天文学和天体物理学年评》中进一步讨论了这一结果。
此外，德辛的团队在 ALMA 的图像中发现了之前探测不到的两颗红巨星的伴星，即 P1 Gruis 和 L2 Puppis。为了确认这一发现，她需要监测它们一段时间，看看这些新发现的物体是否围绕主星运动。“如果它们确实围绕主星运动，那么我相信我们找到的就是伴星。”德辛说道。该发现或许能够说服那些质疑双星假说的人。
天文学家就像犯罪现场的侦察人员一样，收集到了行星状星云形成前和形成后的快照。但是，他们还缺一套像闭路电视录影带那样的证据。那么，天文学家有没有希望捕捉到红巨星变成行星状星云的全过程呢？
迄今，计算机模型是唯一一种能够从头到尾地展现这个长达几个世纪的过程的工具。该模型帮助天文学家理解了这个戏剧性的过程，即：伴星长时间绕主星运转，随后在潮汐力的作用下逼近，并最终被吸入主星。“当伴星朝着红巨星的核心的方向进行螺旋式运动时，会释放出巨大的引力能。”弗兰克说道。计算机模型显示，引力能极大地加速了恒星外层物质剥落的进程，将整个过程缩短到一到十年。如果该过程属实，且天文学家知道观测点在哪的话，那么他们就可以实时目睹一颗恒星的死亡及行星状星云的诞生。
一颗小伴星（白点）绕着一颗红巨星（白圈）运动的流体动力学模拟图显示：流出的星风形成了一个螺旋，与科学家在 ALMA 望远镜图像中看到的一样。出处：琳・德辛 / 2021 年《天文学和天体物理学年评》
一个值得关注的候选观测对象是长蛇座 V（V Hydrae）。这颗红巨星非常活跃，每隔 8.5 年就会向两极喷射出子弹般的等离子团块。并且，在最近的 2100 年里，它还在赤道面上喷发出了六个大环。在四月份，NASA 喷气推进实验室的天文学家拉夫温德拉・萨哈伊 (Raghvendra Sahai) 发表了有关这些环状结构的发现。他认为，这颗红巨星的伴星不只一个，而是有两个。一颗位于红巨星附近的伴星可能已经蹭到了红巨星的包层，产生了等离子喷发。与此同时，另一颗距离稍远一点儿的伴星，在一次次俯冲轨道运动中喷发，产生了环状结构。如果情况属实，那么长蛇座 V 或许即将吞噬离它更近的那颗伴星。
那么，我们的太阳最终又会怎样走向终结呢？对于双星的研究似乎与太阳的命运毫无瓜葛，因为太阳是一颗孤独的恒星。德辛估计，有伴星的恒星失去质量的速度大约是没有伴星的恒星的 6 到 10 倍，这是因为伴星能有效地帮助红巨星剥离外壳层，比单颗红巨星自己剥落壳层的速度快多了。
这意味着科学家测得的携有伴星的恒星的数据无法可靠地预测无伴星的恒星的命运，如太阳。大约有一半和太阳大小差不多的恒星都携有伴星。德辛认为，伴星从始至终地影响着星风的形状。并且如果伴星足够接近恒星的话，那么将极大地加速恒星质量损失速率。比起其他恒星，太阳最有可能更慢地喷射出外壳层，停留在红巨星阶段的时间会久上好几倍。
但是，太阳在消亡之际的活动具体如何，仍是未解之谜。例如，尽管木星不是恒星，但它仍然可能足够重，以至于能够吸引太阳的物质并形成一个吸积盘。德辛表示：“我想我们将会看到木星形成一个非常小的螺旋结构。即便在我们的计算机模拟中，你也可以看到木星对太阳风的影响。”如果真是这样的话，那么我们的太阳也可能会迎来一场炫丽的落幕。
作者：Dana Mackenzie
翻译：边颖
审校：K.Collider（
原文链接：A dying star’s last hurrah
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Dana Mackenzie
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