天文学家解开大质量恒星尘埃大小长达数十年的矛盾之谜

WR 112 每年产生的尘埃相当于三个月球的质量，这引发了关于星系如何构建和回收碳的新问题。

有些恒星不仅发光；它们还制造未来世界的原始原料。在一项令人惊奇的新研究中，研究人员报告称，宇宙中最大质量、寿命最短的恒星之一，正在产生直径仅有几十亿分之一米的微小尘埃颗粒。
"令人惊叹的是，宇宙中一些最大质量的恒星，在死亡之前会产生一些最微小的尘埃颗粒。恒星与其产生的尘埃之间的尺寸差异大约是一百亿亿比一，"该研究的主要作者、加州理工学院的研究员吴东林说。

这一发现解决了一个关于极端恒星周围尘埃测量结果相互矛盾的长期谜团，并增进了我们对星系如何播撒碳（构成生命骨架的元素）的理解。

相互矛盾的恒星局面

这项研究聚焦于 WR 112，一个不寻常的双星系统，其中包含一颗沃尔夫-拉叶星——一种罕见、极度炽热、濒临生命终结的恒星。沃尔夫-拉叶星以其强大的恒星风和短暂的生命周期而闻名。它们迅速消耗掉燃料，并向太空抛射出大量物质。

在 WR 112 系统中，沃尔夫-拉叶星环绕着一颗伴星运行。两颗恒星都发出高速的气流。当这些恒星风相撞时，气体变得压缩和致密。随着气体冷却，原子结合在一起，开始形成固体颗粒。这就是宇宙尘埃在这种剧烈环境中诞生的过程。

来自恒星的辐射压力随后将新形成的尘埃向外推。随着时间的推移，这个过程创造了引人注目的螺旋弧线，这些弧线从双星系统向外扩展，就像是由恒星风塑造的宇宙风车。

然而，几十年来，天文学家一直面临一个复杂的问题。对类似系统的一些观测表明，尘埃颗粒非常小。其他的观测则表明存在大得多的颗粒，大约是十分之一微米。

这些相互矛盾的结果很难简单解释。是仪器错过了什么？还是某些尺寸的颗粒在这些恶劣条件下被摧毁了？

借助两大强大天文台观测不可见之物

为了解开这个谜团，研究团队结合了来自世界两大最先进天文台的数据：詹姆斯·韦伯太空望远镜和阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列。

"通过结合 ALMA 的观测和詹姆斯·韦伯太空望远镜的图像，我们能够分析 WR 112 的空间分辨光谱能量分布，"研究作者指出。

每个望远镜以不同的方式观测宇宙。詹姆斯·韦伯太空望远镜探测红外光，对温暖的尘埃特别敏感。它的中红外图像已经揭示了 WR 112 周围明亮的螺旋尘埃结构。

位于智利的 ALMA 则在毫米波长下进行观测。它在探测更冷、通常更大的尘埃颗粒方面极为强大。如果 WR 112 的螺旋中存在大量更大的颗粒，ALMA 应该能清晰地探测到它们。

然而，它并没有探测到。缺乏强烈的毫米波信号是关键线索。如果 ALMA 无法看到 JWST 探测到的扩展螺旋，那么大多数颗粒必定太小，无法在毫米波长下有效辐射。

通过对合并数据进行建模，研究人员确定螺旋中的大多数颗粒小于一微米——而且其中绝大多数直径仅有几纳米。一纳米是十亿分之一米。

大质量恒星与其产生的尘埃之间的尺寸差异大约是一百亿亿比一。有趣的是，分析揭示了两个截然不同的颗粒群。主导群由纳米大小的颗粒组成，而较小的一部分颗粒直径约为 0.1 微米。

研究团队测试了几种可能的颗粒大小模型，看哪种与数据最匹配。"在我们测试的四种颗粒半径分布参数化模型中，双峰分布——即丰富的纳米级颗粒和次级的 0.1 微米颗粒群——最能再现观测到的 SED，"研究作者补充道。

这种双重尺寸结构有助于调和数十年来相互矛盾的观测结果：微小和较大的颗粒同时存在，但最微小的颗粒占主导地位。

研究团队还研究了尘埃在这种极端辐射下的行为。强烈的光线和高能环境可以侵蚀或蒸发颗粒。他们的发现表明，中等大小的颗粒可能特别脆弱，这可以解释为什么早期的观测经常无法一致地探测到它们。

宇宙影响与后续步骤

WR 112 是其同类恒星中最多产的尘埃生产者之一，每年产生的尘埃量大约相当于地球月球质量的三倍。

由于这些尘埃富含碳，了解其尺寸分布直接影响到对大质量双星系统向星系贡献多少碳的估算。

碳尘埃不会永远停留在其母星附近。随着时间的推移，它会飘移到星际空间，与气体云混合，这些气体云最终可能坍缩形成新的恒星和行星。如果微小的颗粒占主导地位，它们的行为可能与较大的颗粒不同——从而影响尘埃如何生长、存活或参与行星形成。

仍有许多未解之谜。例如，科学家需要确定这些纳米级颗粒一旦离开强烈的辐射场后能存活多久。它们会合并成更大的颗粒吗？它们会在星际空间中被冲击波摧毁吗？WR 112 是典型代表，还是沃尔夫-拉叶双星系统中的特例？

未来使用 JWST 和 ALMA 对类似系统进行观测将有助于回答这些问题。通过研究更多的恒星尘埃工厂，天文学家旨在完善关于星系如何随时间积累碳的模型。

"未知的东西还有很多——难以观测到的东西，稀少的东西，"吴补充道。

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