像碳這樣對生命至關重要的元素是如何形成並在宇宙中廣泛傳播的？天文學家長期以來試圖解答這一問題。如今，一組研究團隊利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對一個距地球約5,000光年的沃夫－瑞葉雙星系統WR140進行了詳細觀測，揭示了其生成碳豐富塵埃的過程。
沃夫－瑞葉星（Wolf-Rayet star）是大質量恆星演化至末期的一種特殊天體，而WR140由兩顆這樣的大質量恆星組成。每隔八年，這對恆星在各自細長的軌道上相互掠過時，其恆星外圍大氣碰撞，壓縮物質並形成碳豐富的塵埃殼層。在每次相遇期間，它們會生成一層新的碳塵埃殼，這些殼層隨後向外膨脹擴散，最終可能成為銀河系中其他新恆星的組成部分。韋伯太空望遠鏡的最新中紅外線觀測顯示，WR140已形成至少17層定期向外膨脹的碳塵埃殼。資料顯示，這些塵埃殼以穩定的速度向外擴充套件，每層以每秒超過2,600公里的速度遠離恆星，接近光速的1%。觀測結果進一步證實，這對恆星每隔八年如時鐘般穩定地生成新的塵埃殼層。目前已檢測到存在超過130年的塵埃殼，而更古老的塵埃殼因逐漸消散而變得過於黯淡，無法檢測。研究人員推測，這對恆星最終可能在數十萬年的時間內生成數萬層塵埃殼。
圖說：當WR140系統中的兩顆大質量恆星相互掠過時，其恆星外圍大氣碰撞，壓縮物質並形成碳豐富的塵埃殼層。Credits: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
進一步分析發現，放大韋伯影像中的塵埃殼可以看出塵埃分佈並不均勻。某些塵埃堆積成模糊而脆弱的雲團，其規模與我們的整個太陽系相當，而其他單獨的塵埃顆粒則自由漂浮，每顆顆粒的寬度僅相當於人類頭髮直徑的百分之一。無論是聚集的還是分散的塵埃，皆以相同的速度向外擴充套件，且富含碳。
這段影片展示了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對WR140這個雙星系統的兩次觀測結果。在過去130年中，該系統已釋放出超過17層的塵埃殼層，中紅外光觀測清晰地突顯了這些結構。透過相隔14個月拍攝的影像，研究人員證明該系統中的塵埃正在擴充套件。每一層塵埃中的所有物質都以接近光速1%的速度移動。
未來的數百萬甚至數十億年後，當WR140結束向周圍「噴灑」碳塵埃的過程時，它們的命運將如何？該系統中的沃夫－瑞葉星質量是太陽的10倍，目前正接近生命的終點。它最終可能會以超新星爆炸結束生命，或許摧毀部分甚至全部的塵埃殼；也可能塌縮成一個黑洞，保留原有的塵埃殼結構。目前研究人員傾向於黑洞的結局。
回到天文學中的一個重要問題：宇宙中的塵埃從何而來？如果像這樣的碳豐富塵埃能夠得以保留，它可能為解答這個問題提供重要線索。我們知道，碳對形成類似於我們的岩石行星和太陽系至關重要。此次研究讓天文學家得以一窺雙星系統如何生成碳豐富的塵埃，並將其推進到我們銀河鄰域的過程。研究結果已發表於《Astrophysical Journal Letters》（Lieb et al. 2025）。（編譯 / 段皓元）
資料來源：JWST
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