船底座η最新觀測:雙星最近時爆發強X射線耀斑

新浪科技訊 北京時間1月9日消息，據物理學家組織網站報導，船底座η(中文名：海山二)是過去1萬年內從地球上觀察到的最明亮，也是質量最大的恆星系統。這顆巨型恆星擁有很多怪異的行為，它曾經在19世紀突然發生爆發，而爆發的具體原因科學家們至今都沒有完全弄明白。一個由美國宇航局戈達德空間飛行中心的天文學家們領銜的研究組對這顆恆星進行長期的觀察，他們運用美國宇航局在軌道上的衛星，地面上的望遠鏡以及計算機模型得到的數據，獲得了人們對於這一天體迄今最精細的圖景。期間取得的新發現包括使用哈勃空間望遠鏡觀測到正從這顆恆星向外，以每小時數百萬公里的速度擴張，但年齡僅有數十年，非常年輕的等離子體物質外層，另外他們還構建了一個全新的3D立體模型，揭示出這一天體一些此前並不為人知的深層結構。

戈達德空間飛行中心的天體物理學家特德·伽爾(Ted Gull)領銜的一個研究組已經對這個天體連續開展了超過10年的跟蹤觀測。他指出：“我們正在逐漸理解這個不可思議天體當前的狀態以及它複雜的環境結構，但我們距離能夠解釋船底座η最近的一次爆發事件並預言下一次類似事件的出現還有很長的路要走。”

巨型恆星系統

顧名思義，船底座η位於南天的船底座，距離地球約7500光年。它實際上是由兩顆大質量恆星組成的雙星系統，這兩顆成員恆星以5.5年的周期圍繞共同質心運行。由於距離很近，兩顆恆星互相都在對方的表面引發強大的氣體流，也就是所謂的“恆星風”，這些星風和其他塵埃氣體物質遮擋了這對雙星，從而讓對它們的一些性質進行直接測量變得困難重重。但天文學家們目前已經確認其中那顆更亮，但表面溫度也稍低一些的主星，其質量約為太陽的90倍，光度則超出太陽約500萬倍。盡管那顆相對較小一些，但表面溫度也更高一些的成員恆星的一些性質還稍稍存在爭議，但伽爾和他的同事們一般認為這顆成員星的質量約為太陽的30倍，光度則相當於后者的100萬倍。

本周三在西雅圖舉行的美國天文學會會議期間，戈達德研究中心的科學家們彙報了他們有關於船底座η的最新觀測成果。

這一雙星系統的兩顆成員恆星在最接近時(近星點)相互之間距離約為2.25億公里，或者相當於火星與太陽之間的距離。在它們抵達最接近位置之前和之后的一段時間內，天文學家們能夠觀測到這一系統內發生的巨大變化，其中就包括強烈的X射線耀斑，隨后X射線輻射強度突然迅速跌落，最后重新慢慢恢復；另外還有在可見光的某些特定波段上可以觀測到在恆星附近某些結構的突然消失和重新出現；甚至還有當較小的成員恆星通過較大的成員恆星前方時上演的“光影秀”。

在過去的11年間，天文學家們一共經歷了3次這樣的最近距離事件(3次過近星點)，在對這些事件進行觀測的基礎上，戈達德的科學家們利用美國宇航局的衛星和地面望遠鏡長期觀測獲得的數據發展出一種模型。托馬斯·馬杜拉(Thomas Madura)是美國宇航局戈達德空間飛行中心的一名博士后研究人員，他同時也是船底座η理論項目組的成員。他指出：“我們運用過去的觀測結果來構建一個計算機模型，它能幫助我們預言在下一個周期將會看到什麼，隨后在新的周期內，我們將最新觀察到的情況反饋到模型中去，並據此進行不斷的改進。”

根據這一模型，這兩顆成員恆星之間的相互作用可以解釋實際觀測中發現的一系列周期性變化。來自兩顆成員恆星的星風具有不同的性質：較大主星的星風更粘稠，速度也更慢；而來自較小伴星的星風更稀薄，速度更快。主星發出的星風速度几乎達到每小時160萬公里，並且粘度特別大，大約每1000年就會從主星身上帶走約等於一個太陽質量的物質。相比之下，較小的伴星生的星風攜帶的物質要比主星的星風少大約100倍，但其向外擴散的速度則要比前者快至少6倍以上。

星風空穴

馬杜拉所開展的模擬工作是在美國宇航局埃姆斯研究中心的“昴星團”超級計算機上進行的，其模擬結果揭示出這種星風相互作用的複雜程度。隨較小的伴星圍繞較大的主星快速轉動，它發出的高速星風在主星較慢，較粘稠的星風中雕刻出一道漩渦般的空穴區。為了更好地將這一相互作用過程可視化，馬杜拉將這一計算機模擬過程製作成了3D模型並使用商業型3D打印機將其打印成了固體模型。從模型中可以清楚看到沿這種空穴的邊緣分佈有呈針刺狀突起的氣流，這是此前從未被注意到過的。

馬杜拉表示：“我們認為這些結構應該是真實存在的，並且它們是在伴星最接近主星的那幾個月時間裏由於星風氣流的失穩而形成的。”他：“我想要利用3D打印技術讓這種模擬結果變得更加可視化，這樣做得到的結果超過了我最初的預期。”有關這項研究工作的論文已經提交給英國《皇家天文學會月報》。

戈達德研究組還闡述了他們的部分關鍵性觀測結果，可以解釋這一恆星系統的某些內部運作機制。在過去3次過近星點期間，地面上設在巴西，智利，澳大利亞以及新西蘭的望遠鏡對一種特定波段的藍光進行了監測，那是氦原子失去一個電子之后會呈現的特徵光譜。根據這一模型，這種氦離子輻射應當可以用於追蹤主星星風的情況。安裝在哈勃空間望遠鏡上的“空間望遠鏡成像光譜儀”(STIS)還捕捉到一個不同的藍光波段光譜信號，這是鐵原子失去兩個電子之后生的輻射特徵，這是一項證據，證明主星向外的氣體流在伴星強烈的紫外波段輻射照射下發光。最后，這一雙星系統對外發出的X射線輻射攜帶直接來自兩顆恆星星風碰撞區域的信息，在這一區域兩股星風迎面碰撞，生激波區域，並將周遭氣體加熱到數億攝氏度。

X射線耀斑

麥克·考可蘭(Michael Corcoran)是總部設在馬裏蘭州的“大學空間研究聯合會”的一名天體物理學家，他表示：“X波段輻射的變化是對於碰撞區域的直接探查，其可以反映這些恆星是如何喪失質量的。”考可蘭和他的同事們利用美國宇航局的Rossi X射線時變探測器(RXE，已經於2012年停止工作)以及安裝在美國宇航局雨燕探測衛星上的X射線望遠鏡獲取的過去20年間這兩顆恆星在近星點時刻的觀測數據進行了對比。在2014年7月，這兩顆成員恆星正在相互接近，在此期間雨燕探測器檢測到多次耀斑爆發，其中甚至還包括一次迄今在船底座η系統觀測到的最明亮的X射線爆發。這一情況暗示其中的一顆成員恆星的質量損失情況可能發生了變化，然而僅僅憑藉X射線波段的數據我們還無法判斷究竟是哪一顆的情況發生了變化。

同樣來自戈達德空間飛行中心的麥蘭·蒂奧多羅(Mairan Teodoro)領導另外一個小組，專門對氦原子輻射開展追蹤。他表示：“2014年監測到的輻射狀況几乎與此前2009年抵達近星點時期的情況一模一樣，這表明主星的星風應當是穩定的，因而引發X射線耀斑的應該是來自伴星的星風。”

隨2009年美國宇航局派出宇航員修復了哈勃空間望遠鏡上的STIS設備之后，伽爾和他的同事們申請使用這台強大的空間設備對船底座η進行觀測。通過將接收到的光線分解為彩虹一般的光譜，STIS設備可以分析出所觀測天體的化學組成情況。但在得到的光譜結果中還可以觀察到一些非常細微的信號，代表的是恆星周圍環境中的一些結構，這表明STIS設備也可以被用於對這一雙星系統周邊區域進行前所未有的高精度觀測。

消失又重現的蟹狀結構

STIS通過一道細縫進行光譜觀測，以便最大限度減少外界污染。自從2010年12月份以來，伽爾的團隊已經有規律地對這一雙星系統及其周邊區域進行了超過41次觀測，這就有點像是通過拍攝一系列的照片用於合成全景圖像一樣。拼接后的視野寬度跨越大約6700億公里，或者相當於日地距離的4600倍。

最終得到的圖像於本周三首次對外界發布，他們的觀測結果顯示光譜中出現的鐵離子信號來自一個直徑不到0.1光年的複雜氣體結構，伽爾將它比喻成馬裏蘭州的“藍蟹”。通過STIS拍攝的圖像可以清楚的看到從這一雙星系統向外伸展開的氣體流結構，也就是伽爾口中“藍蟹”的蟹腳，這些氣體流的運動速度高達每小時160萬公里。隨每一次近星點事件的發生，來自主星的星風就會被雕刻出一個空穴，形成觀測到的氣體層結構。

伽爾對此解釋稱：“這些氣體層結構寬度可達日地距離的數千倍。而向前追溯，我們發現這些氣體是在大約11年前從恆星發出來的，這樣就讓我們可以一窺在最近這段時間內這裏所發生的事。”

當兩顆成員恆星相互接近，伴星便會一頭沖入主星濃密的星風之中，星風大量吸收紫外線輻射並阻擋其熱輻射抵達外側的氣體層。由於沒有能量去激發它，於是先前失去兩個電子的鐵離子也便停止發光，此時那個蟹狀的結構也便在這一波段上消失了。而一旦伴星通過近星點並清空其周遭的部分星風物質，其紫外輻射便能再次發出，造成外側氣體層物質電離，於是蟹狀結構再次出現了。

在當前階段，研究組表示還尚未有任何證據顯示這一恆星系統會立即毀滅。研究組的科學家們目前正在對2014年伴星過近星點的事件觀測數據進行分析並嘗試做出新的預測，這一次做出的預測將在2020年2月份有機會接受實際情況的檢驗。(晨風)