巨型恆星可能是“活得快，死得早”的終極例子。與我們的太陽不同，太陽將閃耀數十億年，質量更大的恆星只需數百萬年即可耗盡其熱核燃料，然後脫落其外層並在劇烈的超新星中爆發。
最近，美國國家航空航天局 (NASA) 公佈了一張罕見的影像，該影像來自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST)，展示了一顆這樣的恆星巨星——一顆沃爾夫-拉葉星，正處於其生命的最後、短暫的階段。它被命名為 WR 124，位於人馬座，距離地球約 15,000 光年。這顆垂死的恆星質量至少是太陽的 30 倍，但隨著它將熱氣噴射到寒冷的太空真空中，它正在迅速縮小。
“我們很早就捕捉到了它，”退休天體物理學家安東尼·莫法特解釋說，他之前曾使用哈勃太空望遠鏡觀察過 WR 124，但沒有參與最近的 JWST 測量。莫法特研究沃爾夫-拉葉星已有數十年。“這是我所知的最年輕的一顆，”他說。影像中色彩鮮豔的雲——有些誤導性地被稱為行星狀星雲——只有幾千年的歷史。現在，“星雲正緊緊擁抱著恆星，”他說。但隨著時間的推移，它將像外殼或氣體和塵埃環一樣向外綻放。
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恆星是自然界的聚變反應堆，透過將氫聚變成氦原子釋放的能量而發光。一旦大質量恆星耗盡了所有氫，它們就開始將氦聚變成更重的元素——透過更具活力的聚變反應，引發強大的恆星風。這些風以每小時數百萬公里的速度呼嘯而去，將恆星的外層帶走，將大量的氣體和塵埃噴射到太空。
這種氣體發出紅外輻射，與 JWST 檢測到的光型別相同。天體物理學家透過組合來自 JWST 兩種儀器的資料建立了壯觀的影像，這兩種儀器分別是近紅外相機 (NIRCam) 和中紅外儀器 (MIRI)。哈勃太空望遠鏡主要收集光學波長的光，之前曾拍攝過 WR 124 的影像，但 JWST 的觀測以令人驚歎的新細節展示了這顆恆星正在興起的星雲。
“就我個人而言，這張影像最令人興奮的部分是，我們正在捕捉到一個罕見的事件——即一顆沃爾夫-拉葉星——其細節水平只有 JWST 才能實現，”歐洲航天局的天體物理學家瑪卡蕾娜·加西亞·馬林說，她與 MIRI 合作。
只有大質量恆星才能經歷沃爾夫-拉葉階段，而且並非所有恆星都會經歷這個階段。天文學家估計，我們的星系中只有 1,000 顆沃爾夫-拉葉星——大約每 1 億顆恆星中有一顆。最近的一顆距離我們約 1,000 光年，位於船帆座 γ 星系中，從南半球可見。莫法特說，沃爾夫-拉葉星的亮度可以是太陽的數百萬倍。“它們在數量上沒有優勢，但在光芒上彌補了，”他補充道。
“那些塵埃正在擴散到宇宙中，最終會形成行星。事實上，我們就是這樣來到這裡的，”NASA 天體物理學家琥珀·斯特勞恩在德克薩斯州奧斯汀舉行的 2023 年西南偏南大會的小組討論中說，這張影像在那裡首次亮相。“我認為這是整個天文學中最美麗的概念之一。”
但是，雖然我們都是星塵構成的，但宇宙中的星塵似乎比科學家從基本編目明顯的來源所能解釋的要多得多。“當我們的理論與我們的觀測結果不符時，科學總是處於一個有趣的位置——而這就是我們目前在塵埃方面所處的位置，”斯特勞恩說。這些垂死恆星結局的詳細圖片，當它鍛造重元素併產生大量塵埃時，可以幫助科學家完善他們對這一基礎過程的理解。
總有一天——數千年甚至數百萬年後，但實際上在銀河系尺度上就是明天——WR 124 將在壯觀的超新星中爆發。除了豐富的塵埃和重元素外，爆炸可能會留下一個黑洞。但物理學家沒有很好的方法來確定地預測這一點。莫法特猜測超新星遺蹟可能會停滯為中子星——一顆坍縮恆星到達黑洞最終湮滅之前的最後一站。如果不瞥一眼某個對我們來說仍在遙遠未來的天文臺，我們可能永遠不會知道 WR 124 會發生哪種結果。但無論如何，它的最終命運仍然是相同的，寫在恆星和行星中，這些恆星和行星尚未從它慷慨贈予的宇宙塵埃中形成。
*編者注（2023 年 4 月 6 日）：此句子在釋出後經過編輯，以更正恆星風速度的描述。
這篇文章的“影像中的科學”版本經過改編，收錄在 2023 年 6 月的《大眾科學》雜誌中。