恆星沙粒有助於豐富宇宙

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蟲星雲(NASA、ESA 和 A.Zijlstra(UMIST,英國曼徹斯特))

最廣為人知和反覆提及的天體物理學事實之一是,恆星產生所有最終構成行星、灌木叢以及像我們這樣的生物的重元素。這絕對是真的,但它們究竟是如何將這些元素釋放到宇宙中來完成這一切的呢?

主要途徑是恆星爆炸。當超新星爆發時,它們會大規模地向宇宙噴射富含元素的物質,將其推送到數百光年之外。但這並不是恆星掏腰包散錢的唯一方式。事實上,所有中等質量的恆星——從大約太陽質量到幾倍於太陽質量的恆星——在核心中的氫聚變耗盡後,都會經歷一個階段,在這個階段它們會噴射出大量的物質。它們透過週期性地膨脹其外圍區域,然後將這些物質吹入星際空間來實現這一點。恆星質量的近一半可以透過這種方式拋棄。這種新產生的恆星物質由氣體和微小的塵埃顆粒組成,這些塵埃顆粒是在氣體遠離恆星冷卻並真正凝結出來時產生的,形成矽酸鹽或碳顆粒(後者來自質量較小的恆星)。這種朦朧的外流將新的元素傾瀉到太空中,形成了美麗的結構,但令人困惑地被稱為“行星”狀星雲。


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貓眼星雲 - 從恆星吹出的物質(NASA、ESA、HEIC 以及哈勃遺產團隊 (STScI/AURA))

環狀星雲(哈勃遺產團隊 (AURA/STScI/NASA))

 

 

 

 

 

 

問題是我們還沒有完全理解恆星是如何實現這種技巧的。它們唯一可用的工具是恆星光子的壓力——從恆星湧出的光可以推動和加速物質遠離它。然而,要讓這種光有效地推動恆星大氣中的氣體,使其運動起來似乎很困難。一種選擇是,微小的塵埃顆粒就像微型太陽帆,反過來像掃雪機一樣穿過氣體,加速氣體向前運動。然而,這個理論存在一些漏洞;弄清楚塵埃顆粒成分、大小和形成位置的必要組合一直很棘手。

諾里斯等人最近在《自然》雜誌上發表的一項新研究(並在 Susanne Höfner 的一篇優秀的配套文章中討論過)利用對脹氣老恆星的一些非常巧妙的天文觀測來尋找可能的解決方案。透過研究來自這些系統的偏振光,並使用干涉測量技術,作者能夠測試似乎在非常靠近恆星表面產生的塵埃的特性,距離僅有幾個恆星半徑。

塵埃顆粒出奇地大,直徑約為 600 奈米(0.0006 毫米),並且必須對恆星光相當透明,否則它們會在吸收輻射時被煮沸。然而,這似乎使它們成為糟糕的太陽帆。這個難題的解決方案是,這些是矽酸鹽顆粒(可能是矽酸鎂),它們散射星光而不是吸收星光,就像相當粗糙的鏡子。這些“大”顆粒可以很容易地以每小時 20,000 英里的速度向外推動,並且它們會掃除沿途的一切。

因此,元素向宇宙的擴散可能很大程度上歸功於一種最奇特的沙塵暴,它發生在垂死恆星周圍的混亂環境中。這個非凡的過程對於理解宇宙學原因也可能至關重要。Höfner 指出,經歷這個階段的更大質量的恆星也可能是 Ia 型超新星的可能前身,宇宙學家使用 Ia 型超新星來跟蹤宇宙不斷變化的膨脹速度。正確瞭解這些重要標尺的真實沙質環境將是一件非常好的事情。

那裡真是一片荒漠……(圖片素材來源:NASA、ESA 和 A.Zijlstra (UMIST,英國曼徹斯特) 以及 Rosino (維基百科))

 

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