天文學家解開大質量恒星塵埃大小長達數十年的矛盾之謎

WR 112 每年產生的塵埃相當于三個月球的質量，這引發了關于星系如何構建和回收碳的新問題。

有些恒星不僅發光；它們還制造未來世界的原始原料。在一項令人驚奇的新研究中，研究人員報告稱，宇宙中最大質量、壽命最短的恒星之一，正在產生直徑僅有幾十億分之一米的微小塵埃顆粒。
"令人驚嘆的是，宇宙中一些最大質量的恒星，在死亡之前會產生一些最微小的塵埃顆粒。恒星與其產生的塵埃之間的尺寸差異大約是一百億億比一，"該研究的主要作者、加州理工學院的研究員吳東林說。

這一發現解決了一個關于極端恒星周圍塵埃測量結果相互矛盾的長期謎團，并增進了我們對星系如何播撒碳（構成生命骨架的元素）的理解。

相互矛盾的恒星局面

這項研究聚焦于 WR 112，一個不尋常的雙星系統，其中包含一顆沃爾夫-拉葉星——一種罕見、極度熾熱、瀕臨生命終結的恒星。沃爾夫-拉葉星以其強大的恒星風和短暫的生命周期而聞名。它們迅速消耗掉燃料，并向太空拋射出大量物質。

在 WR 112 系統中，沃爾夫-拉葉星環繞著一顆伴星運行。兩顆恒星都發出高速的氣流。當這些恒星風相撞時，氣體變得壓縮和致密。隨著氣體冷卻，原子結合在一起，開始形成固體顆粒。這就是宇宙塵埃在這種劇烈環境中誕生的過程。

來自恒星的輻射壓力隨后將新形成的塵埃向外推。隨著時間的推移，這個過程創造了引人注目的螺旋弧線，這些弧線從雙星系統向外擴展，就像是由恒星風塑造的宇宙風車。

然而，幾十年來，天文學家一直面臨一個復雜的問題。對類似系統的一些觀測表明，塵埃顆粒非常小。其他的觀測則表明存在大得多的顆粒，大約是十分之一微米。

這些相互矛盾的結果很難簡單解釋。是儀器錯過了什么？還是某些尺寸的顆粒在這些惡劣條件下被摧毀了？

借助兩大強大天文臺觀測不可見之物

為了解開這個謎團，研究團隊結合了來自世界兩大最先進天文臺的數據：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。

"通過結合 ALMA 的觀測和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的圖像，我們能夠分析 WR 112 的空間分辨光譜能量分布，"研究作者指出。

每個望遠鏡以不同的方式觀測宇宙。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡探測紅外光，對溫暖的塵埃特別敏感。它的中紅外圖像已經揭示了 WR 112 周圍明亮的螺旋塵埃結構。

位于智利的 ALMA 則在毫米波長下進行觀測。它在探測更冷、通常更大的塵埃顆粒方面極為強大。如果 WR 112 的螺旋中存在大量更大的顆粒，ALMA 應該能清晰地探測到它們。

然而，它并沒有探測到。缺乏強烈的毫米波信號是關鍵線索。如果 ALMA 無法看到 JWST 探測到的擴展螺旋，那么大多數顆粒必定太小，無法在毫米波長下有效輻射。

通過對合并數據進行建模，研究人員確定螺旋中的大多數顆粒小于一微米——而且其中絕大多數直徑僅有幾納米。一納米是十億分之一米。

大質量恒星與其產生的塵埃之間的尺寸差異大約是一百億億比一。有趣的是，分析揭示了兩個截然不同的顆粒群。主導群由納米大小的顆粒組成，而較小的一部分顆粒直徑約為 0.1 微米。

研究團隊測試了幾種可能的顆粒大小模型，看哪種與數據最匹配。"在我們測試的四種顆粒半徑分布參數化模型中，雙峰分布——即豐富的納米級顆粒和次級的 0.1 微米顆粒群——最能再現觀測到的 SED，"研究作者補充道。

這種雙重尺寸結構有助于調和數十年來相互矛盾的觀測結果：微小和較大的顆粒同時存在，但最微小的顆粒占主導地位。

研究團隊還研究了塵埃在這種極端輻射下的行為。強烈的光線和高能環境可以侵蝕或蒸發顆粒。他們的發現表明，中等大小的顆粒可能特別脆弱，這可以解釋為什么早期的觀測經常無法一致地探測到它們。

宇宙影響與后續步驟

WR 112 是其同類恒星中最多產的塵埃生產者之一，每年產生的塵埃量大約相當于地球月球質量的三倍。

由于這些塵埃富含碳，了解其尺寸分布直接影響到對大質量雙星系統向星系貢獻多少碳的估算。

碳塵埃不會永遠停留在其母星附近。隨著時間的推移，它會飄移到星際空間，與氣體云混合，這些氣體云最終可能坍縮形成新的恒星和行星。如果微小的顆粒占主導地位，它們的行為可能與較大的顆粒不同——從而影響塵埃如何生長、存活或參與行星形成。

仍有許多未解之謎。例如，科學家需要確定這些納米級顆粒一旦離開強烈的輻射場后能存活多久。它們會合并成更大的顆粒嗎？它們會在星際空間中被沖擊波摧毀嗎？WR 112 是典型代表，還是沃爾夫-拉葉雙星系統中的特例？

未來使用 JWST 和 ALMA 對類似系統進行觀測將有助于回答這些問題。通過研究更多的恒星塵埃工廠，天文學家旨在完善關于星系如何隨時間積累碳的模型。

"未知的東西還有很多——難以觀測到的東西，稀少的東西，"吳補充道。

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