王良策馬：大質(zhì)量恒星翻起的“銀河浪花”

陳學(xué)鵬

“心魂”星云

在秋季北方的夜空中，一個(gè)“W”形的星座格外引人注目，這就是星空里著名的“王冠”——仙后座。在西方的神話故事里，她是埃塞俄比亞的王后;而在中國(guó)古天文中，這里是馬車夫王良為天子策馬御車在閣道上飛馳的星官。

《史記·天官書》曰：“漢中四星，曰天駟。旁一星，曰王良。王良策馬，車騎滿野?！薄皾h”即“星漢”，是我國(guó)古代對(duì)銀河的稱謂，而高懸在四匹天馬前方的是王良手中揚(yáng)起的馬鞭，叫作“策”星。王良的這條馬鞭，不僅讓四匹天馬風(fēng)馳電掣，也激起了一朵絢麗的“銀河浪花”。

大質(zhì)量恒星翻起的“銀河浪花”

“策”星即仙后座γ星（簡(jiǎn)寫為γ Cas），位于仙后座的中點(diǎn)，是北天最亮的恒星之一。

γ Cas屬于B型主序星，是一類大質(zhì)量恒星。大質(zhì)量恒星可以通過(guò)強(qiáng)大的輻射電離周圍的原子和分子氣體，產(chǎn)生一個(gè)以氫離子和電子為主的熱氣體團(tuán)，天文學(xué)家稱之為“電離氫區(qū)”。事實(shí)上，除了輻射以外，大質(zhì)量恒星在演化過(guò)程中還可以通過(guò)外流、星風(fēng)和爆發(fā)，不斷地將能量和物質(zhì)反饋到星際空間。

像“策”星這樣的大質(zhì)量恒星的各類反饋（外流、輻射、星風(fēng)和爆發(fā)等），深刻地改變著星際介質(zhì)的分布、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，驅(qū)動(dòng)著星際介質(zhì)的往復(fù)循環(huán)，也驅(qū)動(dòng)著星系的不斷演化。

在下面這張來(lái)自美國(guó)宇航局寬視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)器（WISE）拍攝的銀道面第二象限的部分天區(qū)的圖像中，隨處可見絢麗多彩的亮云、空腔和氣泡，它們多來(lái)自不同演化階段大質(zhì)量恒星反饋的“杰作”，猶如一朵朵奔騰的“銀河浪花”。

大質(zhì)量恒星的“課代表”

作為一顆亮星，γ Cas有著悠久的觀測(cè)歷史，并展現(xiàn)出神秘多變的特性。早在19世紀(jì)，天文學(xué)家在光學(xué)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)該星有清晰的氫線發(fā)射，類似的恒星隨后被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)稱為“Be星”。后來(lái)的研究歸結(jié)為大質(zhì)量恒星演化到一定階段后自身高速旋轉(zhuǎn)，拋出的物質(zhì)形成一個(gè)以氫為主的盤，于是有了清晰的氫線發(fā)射。

經(jīng)過(guò)大量的研究，天文學(xué)家目前對(duì)γ Cas的基本性質(zhì)，諸如質(zhì)量（17個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）、距離（約170秒差距）、年齡（約8兆年）和雙星周期（約203天）等都有了準(zhǔn)確的掌握。因此，γ Cas也是大質(zhì)量恒星多波段觀測(cè)研究中的常用參考源之一。

仙后座γ 星的光學(xué)圖像，IC69 和IC53 是被其照亮的兩個(gè)彗狀星云

C1396

回光

WISE 的紅外巡天圖像，藍(lán)、青、綠、紅分別來(lái)自3.4、4.6、12、22 微米圖像（圖片來(lái)源：http：//wise.ssl.berkeley.edu/）

近期，在分析仙后座天區(qū)的大質(zhì)量恒星樣本過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的科研團(tuán)隊(duì)將目光投向了γ Cas，并取得新的進(jìn)展。基于國(guó)際歸檔數(shù)據(jù)和“銀河畫卷”高靈敏CO數(shù)據(jù)，該科研團(tuán)隊(duì)在γ Cas的周圍首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)膨脹的氣體空腔，測(cè)得的空腔尺寸和膨脹速度分別為6.0秒差距×4.2秒差距和5千米/秒。膨脹空腔所揭示的強(qiáng)烈星風(fēng)反饋能量達(dá)到約4×1024千瓦（太陽(yáng)為3.8×1023千瓦，10倍于太陽(yáng)的能量）;而來(lái)自γ Cas的強(qiáng)烈UV輻射在其周圍驅(qū)動(dòng)了2個(gè)快速移動(dòng)的彗狀星云（IC59和IC63）。該結(jié)果有助于我們更好地認(rèn)識(shí)這顆被天文學(xué)者頻繁研究的亮星，也為研究大質(zhì)量恒星的反饋提供了一個(gè)很好的樣本。

左：來(lái)自HI4PI 巡天的HI 積分強(qiáng)度圖（中性氫），速度積分區(qū)間-13至-7 千米 / 秒。右：來(lái)自WHAM 的Hα 圖像（電離氫）。多波段巡天圖像勾勒出一個(gè)圍繞γ Cas（紅星所示）的空腔，位于大尺度的電離氫區(qū)內(nèi)。

γ Cas也是最早發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外X射線源之一。然而，其硬而明亮的X射線發(fā)射與大部分Be星上觀察到的X射線發(fā)射有很大的差異，具體表現(xiàn)在能量高一個(gè)量級(jí)、含多種熱成分且具有時(shí)變（隨時(shí)間變化）。銀河系X射線巡天發(fā)現(xiàn)了一批具有類似X射線性質(zhì)的大質(zhì)量恒星，統(tǒng)稱為“γ Cas類恒星”。

此類大質(zhì)量恒星的X射線的起源是恒星天體物理學(xué)中的難題之一。現(xiàn)有的兩個(gè)主流觀點(diǎn)，恒星-星周盤之間的磁相互作用與伴星吸積模型，均無(wú)法全面解釋觀測(cè)到的X射線性質(zhì)。

γ Cas 雙星系統(tǒng)中的星風(fēng)相互作用可能導(dǎo)致了觀測(cè)到的奇特X-ray 輻射（示意圖）

基于該科研團(tuán)隊(duì)的工作，源自γ Cas的強(qiáng)烈星風(fēng)從觀測(cè)上支持了最近提出的一個(gè)新模型，即此類恒星的奇特X射線發(fā)射源于雙星系統(tǒng)中的星風(fēng)相互作用。因此，該科研團(tuán)隊(duì)的觀測(cè)結(jié)果對(duì)理解大質(zhì)量恒星的演化和銀河系的能量收支，也有著重要的參考意義。

從讓天馬飛奔馳騁，到研究大質(zhì)量恒星與星際介質(zhì)的反饋?zhàn)饔玫摹罢n代表”，γ Cas一如其中國(guó)古代的名字“策”，起了鞭策、激勵(lì)的重要作用。隨著“銀河畫卷”的徐徐展開和更多CO譜線數(shù)據(jù)的獲得，我們將會(huì)把那里的“銀河浪花”看得更清。

（文章源自中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)微信公眾號(hào)）

知識(shí)鏈接

名詞卡片

星官：古代中國(guó)天文學(xué)家為了便于認(rèn)星和觀測(cè)，把若干顆恒星組成一組，每組用地上的一種事物命名，這一組就稱為一個(gè)星官，簡(jiǎn)稱“一官”。

秒差距：天文學(xué)中使用的距離單位。主要用于量度太陽(yáng)系外天體的距離。

“銀河畫卷”高靈敏CO數(shù)據(jù)：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)利用青海德令哈13.7米望遠(yuǎn)鏡對(duì)北天銀道面里的一氧化碳進(jìn)行巡天獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

HI4PI 巡天：利用北天和南天兩座射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合開展的中性氫巡天項(xiàng)目。