宇宙更富詩意的方面之一是，令人恐懼的強大而狂暴的力量可以塑造出優雅對稱和美麗的物體。
而且，額外的好處是，這些力量也可能幫助我們自身的生存。
WR 140 是一個雙星系統，意味著兩顆恆星相互繞軌道執行，距離地球約 5400 光年。這兩顆恆星都是絕對的巨獸，爆發出強烈的光芒，但經過天文距離的削弱，它們的光輝已經變得肉眼不可見。
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然而，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）比我們區區人類擁有更敏銳的視力，而且它還能在遠超我們肉眼可見的紅外波長下觀察宇宙。天文學家最近將 JWST 指向 WR 140 中的雙星，它所目睹的景象絕對壯觀。
長期以來，天文學家一直想知道宇宙塵埃顆粒是否能在劇烈的恆星系統惡劣的內部區域形成並逃逸出來。對 WR 140 的這些 JWST 觀測表明，答案是肯定的。整個結構直徑至少為兩光年（或 20 萬億公里）——甚至可能更大，因為可能存在更微弱的旋臂延伸到更遠的地方，超出了這些 JWST 觀測的範圍。僅考慮可見的旋臂，圍繞 WR 140 的這種結構是迄今為止所見過的同類結構中最大的，是下一個已知更大結構的四倍寬。
波紋狀的螺旋幾乎看起來像是望遠鏡本身的缺陷，某種影響觀測的奇怪光學現象。但它是非常真實的，而它的真實性掩蓋了它如蛛絲般的外觀：正如剛剛發表在《自然·天文學》雜誌上的一篇論文中所描述的那樣，這種引人注目的結構源於巨大的力量的碰撞，這些力量以令人沮喪的速度將大量物質拋入太空，動力來自那些使我們的太陽看起來像手電筒的垂死電池的恆星。
您可以根據它來校準您的手錶。或者至少是您的日曆。
WR 140 雙星系統中的每顆恆星都比太陽質量大得多。其中一顆位於可以稱為“正常”恆星的上限範圍內——也就是說，像我們自己的恆星一樣，透過在其核心將氫聚變成氦來發光的恆星。它的質量是太陽的 30 倍，是一個怪物，並且光度驚人，能量輻射速率是太陽的一百萬倍。如果用這顆恆星取代我們太陽系中心的太陽，地球就會被烤焦。
WR 140 的另一個組成部分賦予了雙星系統名稱的一部分；它屬於一類特殊的恆星，稱為沃爾夫-拉葉星（WR）。它最初的生命可能始於 20 個或更多太陽質量，但最終耗盡了其核心中可用的氫，現在正在瘋狂地將氦聚變成碳。與氫聚變相比，氦聚變釋放出更多的能量，這擾亂了恆星脆弱的平衡，即試圖使其坍縮的引力與其試圖使其爆炸的熾熱熱量之間的平衡。這導致它以驚人的速度將物質吹入太空。由此產生的狂風已經帶走了恆星原始質量的一半——我們說的是大約20 秭噸，這是一個幾乎無法估量的量——使恆星僅剩下（“僅”）太陽體積的 10 倍。它的亮度大約是其伴星的一半，但這仍然使它成為一個輻射強國。
事實上，另一顆恆星也在噴射粒子風，儘管速率遠低於其沃爾夫-拉葉星伴星。當這些風從各自的恆星向外膨脹時，它們會相互撞擊，正是這種宇宙碰撞在 JWST 影像中形成了螺旋圖案。
研究人員以前曾窺探過這種結構——在 WR 104 和 Apep 中，這兩者都是具有沃爾夫-拉葉星成分的多星系統。但 WR 140 是不同的，因為它的兩顆恆星處於高度拉長的橢圓軌道上。它們的距離範圍從大約 40 億公里到僅 2 億公里——大致相當於海王星和火星與太陽的距離。
當它們彼此之間距離最遠時，它們的風會相對自由地膨脹，但每 7.93 年，它們會在軌道上非常靠近，以至於風開始強烈相互作用。請注意，這些風以每小時 900 萬公里的速度吹動。它們在這些速度下的碰撞產生強大的衝擊波，衝擊波的作用有點像錘子敲擊內部的物質。
使用地面望遠鏡研究 WR 140 的觀測者已經表明，沃爾夫-拉葉星的風中摻雜了從恆星核心中挖掘出來的碳。當碰撞衝擊波掃過碳時，原子會重新排列成稱為多環芳烴 (PAH) 的複雜分子。天文學家通常將這種物質稱為塵埃。
風的膨脹加上恆星的軌道運動使它們的相互作用在幾何上變得複雜。利用計算機模型來模擬這種情況的物理學，新工作中的天文學家以驚人的細節再現了在 JWST 影像中看到的結構。
計算機模擬模擬了 WR 140 系統背後的物理學，以顯示來自兩顆恆星的碰撞風如何形成從系統向外膨脹的塵埃旋臂，並很好地再現了 JWST 的影像。 來源：Han et al. 2022
他們發現，碰撞主要發生在恆星最接近彼此之前和之後不久產生大部分塵埃，而不是在最接近期間，那時恆星風和輻射的累積效應壓倒了塵埃的形成。這導致了兩次塵埃產生和噴射脈衝，我們將其視為長長的噴流，從接觸點飛出，很像急轉彎的自卸卡車甩出的沙柱。
此外，這個過程像時鐘一樣每軌道重複一次，每次當恆星接近彼此時都會產生成對的膨脹物質噴霧。每組噴霧都有近八年的時間以高速飛離，在另一組噴霧出現之前移動超過 6 億公里，從而形成波紋狀的塵埃旋臂和稀薄間隙。塵埃剛產生後是溫暖的，這使其對 JWST 的紅外儀器可見，這些儀器可以看到其熱量的熱輝光。但隨著旋臂向外膨脹，它們會冷卻和褪色，這就是為什麼外部旋臂看起來更暗的原因。仔細檢查會發現 JWST 影像中有 17 條這樣的螺旋臂，不完整的弧線標記著更古老、更冷和更遙遠的噴射物。
重複螺旋圖案的廣度——幾乎從恆星頂部開始並延伸到遠離它們的深處——表明這種塵埃是在恆星附近產生的，然後傳播到星際空間的深處，這是天文學家不確定是否會在此類系統中發生的事情。這意味著類似的雙星可以解釋我們在銀河系中看到的大部分塵埃。
大部分塵埃位於巨大的氣體雲中，這些氣體雲最終可能會坍縮以產生大量的恆星。這些恆星形成工廠遍佈銀河系，這使得太陽也很可能誕生於其中一個。事實上，一些先前的研究表明，附近沃爾夫-拉葉星的風實際上可以觸發此類雲的坍縮，並且可能在太陽的情況下也這樣做過。
像 WR 140 這樣的系統的殘酷狂暴是不可否認的，從其恆星令人難以置信的亮度到它們吹走的塵埃風的宇宙海嘯。但混亂之中存在秩序：物理定律塑造了一個廣闊而美麗的圖案，一個我們可以在星際深淵中看到的閃閃發光的風車，它可能與我們自身的宇宙起源有關。
塵埃將與太空中漂浮的舊物質混合，並且有一天可能會引起併成為新恆星創造的一部分，其中一些恆星很可能會再次開始這種模式。
確實是詩意。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。
本文的標題為“JWST 一瞥令人眼花繚亂的恆星螺旋”，經過改編後收錄在 2023 年 2 月號的《大眾科學》雜誌中。