宇宙更富诗意的方面之一是，令人恐惧的强大而狂暴的力量可以塑造出优雅对称和美丽的物体。
而且，额外的好处是，这些力量也可能帮助我们自身的生存。
WR 140 是一个双星系统，意味着两颗恒星相互绕轨道运行，距离地球约 5400 光年。这两颗恒星都是绝对的巨兽，爆发出强烈的光芒，但经过天文距离的削弱，它们的光辉已经变得肉眼不可见。
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然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）比我们区区人类拥有更敏锐的视力，而且它还能在远超我们肉眼可见的红外波长下观察宇宙。天文学家最近将 JWST 指向 WR 140 中的双星，它所目睹的景象绝对壮观。
长期以来，天文学家一直想知道宇宙尘埃颗粒是否能在剧烈的恒星系统恶劣的内部区域形成并逃逸出来。对 WR 140 的这些 JWST 观测表明，答案是肯定的。整个结构直径至少为两光年（或 20 万亿公里）——甚至可能更大，因为可能存在更微弱的旋臂延伸到更远的地方，超出了这些 JWST 观测的范围。仅考虑可见的旋臂，围绕 WR 140 的这种结构是迄今为止所见过的同类结构中最大的，是下一个已知更大结构的四倍宽。
波纹状的螺旋几乎看起来像是望远镜本身的缺陷，某种影响观测的奇怪光学现象。但它是非常真实的，而它的真实性掩盖了它如蛛丝般的外观：正如刚刚发表在《自然·天文学》杂志上的一篇论文中所描述的那样，这种引人注目的结构源于巨大的力量的碰撞，这些力量以令人沮丧的速度将大量物质抛入太空，动力来自那些使我们的太阳看起来像手电筒的垂死电池的恒星。
您可以根据它来校准您的手表。或者至少是您的日历。
WR 140 双星系统中的每颗恒星都比太阳质量大得多。其中一颗位于可以称为“正常”恒星的上限范围内——也就是说，像我们自己的恒星一样，通过在其核心将氢聚变成氦来发光的恒星。它的质量是太阳的 30 倍，是一个怪物，并且光度惊人，能量辐射速率是太阳的一百万倍。如果用这颗恒星取代我们太阳系中心的太阳，地球就会被烤焦。
WR 140 的另一个组成部分赋予了双星系统名称的一部分；它属于一类特殊的恒星，称为沃尔夫-拉叶星（WR）。它最初的生命可能始于 20 个或更多太阳质量，但最终耗尽了其核心中可用的氢，现在正在疯狂地将氦聚变成碳。与氢聚变相比，氦聚变释放出更多的能量，这扰乱了恒星脆弱的平衡，即试图使其坍缩的引力与其试图使其爆炸的炽热热量之间的平衡。这导致它以惊人的速度将物质吹入太空。由此产生的狂风已经带走了恒星原始质量的一半——我们说的是大约20 秭吨，这是一个几乎无法估量的量——使恒星仅剩下（“仅”）太阳体积的 10 倍。它的亮度大约是其伴星的一半，但这仍然使它成为一个辐射强国。
事实上，另一颗恒星也在喷射粒子风，尽管速率远低于其沃尔夫-拉叶星伴星。当这些风从各自的恒星向外膨胀时，它们会相互撞击，正是这种宇宙碰撞在 JWST 图像中形成了螺旋图案。
研究人员以前曾窥探过这种结构——在 WR 104 和 Apep 中，这两者都是具有沃尔夫-拉叶星成分的多星系统。但 WR 140 是不同的，因为它的两颗恒星处于高度拉长的椭圆轨道上。它们的距离范围从大约 40 亿公里到仅 2 亿公里——大致相当于海王星和火星与太阳的距离。
当它们彼此之间距离最远时，它们的风会相对自由地膨胀，但每 7.93 年，它们会在轨道上非常靠近，以至于风开始强烈相互作用。请注意，这些风以每小时 900 万公里的速度吹动。它们在这些速度下的碰撞产生强大的冲击波，冲击波的作用有点像锤子敲击内部的物质。
使用地面望远镜研究 WR 140 的观测者已经表明，沃尔夫-拉叶星的风中掺杂了从恒星核心中挖掘出来的碳。当碰撞冲击波扫过碳时，原子会重新排列成称为多环芳烃 (PAH) 的复杂分子。天文学家通常将这种物质称为尘埃。
风的膨胀加上恒星的轨道运动使它们的相互作用在几何上变得复杂。利用计算机模型来模拟这种情况的物理学，新工作中的天文学家以惊人的细节再现了在 JWST 图像中看到的结构。
计算机模拟模拟了 WR 140 系统背后的物理学，以显示来自两颗恒星的碰撞风如何形成从系统向外膨胀的尘埃旋臂，并很好地再现了 JWST 的图像。 来源：Han et al. 2022
他们发现，碰撞主要发生在恒星最接近彼此之前和之后不久产生大部分尘埃，而不是在最接近期间，那时恒星风和辐射的累积效应压倒了尘埃的形成。这导致了两次尘埃产生和喷射脉冲，我们将其视为长长的喷流，从接触点飞出，很像急转弯的自卸卡车甩出的沙柱。
此外，这个过程像时钟一样每轨道重复一次，每次当恒星接近彼此时都会产生成对的膨胀物质喷雾。每组喷雾都有近八年的时间以高速飞离，在另一组喷雾出现之前移动超过 6 亿公里，从而形成波纹状的尘埃旋臂和稀薄间隙。尘埃刚产生后是温暖的，这使其对 JWST 的红外仪器可见，这些仪器可以看到其热量的热辉光。但随着旋臂向外膨胀，它们会冷却和褪色，这就是为什么外部旋臂看起来更暗的原因。仔细检查会发现 JWST 图像中有 17 条这样的螺旋臂，不完整的弧线标记着更古老、更冷和更遥远的喷射物。
重复螺旋图案的广度——几乎从恒星顶部开始并延伸到远离它们的深处——表明这种尘埃是在恒星附近产生的，然后传播到星际空间的深处，这是天文学家不确定是否会在此类系统中发生的事情。这意味着类似的双星可以解释我们在银河系中看到的大部分尘埃。
大部分尘埃位于巨大的气体云中，这些气体云最终可能会坍缩以产生大量的恒星。这些恒星形成工厂遍布银河系，这使得太阳也很可能诞生于其中一个。事实上，一些先前的研究表明，附近沃尔夫-拉叶星的风实际上可以触发此类云的坍缩，并且可能在太阳的情况下也这样做过。
像 WR 140 这样的系统的残酷狂暴是不可否认的，从其恒星令人难以置信的亮度到它们吹走的尘埃风的宇宙海啸。但混乱之中存在秩序：物理定律塑造了一个广阔而美丽的图案，一个我们可以在星际深渊中看到的闪闪发光的风车，它可能与我们自身的宇宙起源有关。
尘埃将与太空中漂浮的旧物质混合，并且有一天可能会引起并成为新恒星创造的一部分，其中一些恒星很可能会再次开始这种模式。
确实是诗意。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。
本文的标题为“JWST 一瞥令人眼花缭乱的恒星螺旋”，经过改编后收录在 2023 年 2 月号的《大众科学》杂志中。