最后環狀星雲的真實結構被揭示

環狀星雲是一個明亮的圓形行星狀星雲，被一顆垂死的太陽一样恆星創造。幾個世紀后，我們最后知道它的真實形狀。

STARTS WITH A BANG — JANUARY 20, 2025

Ethan Siegel

 

這个三面板观望顯示哈勃的環狀星雲 （L） 的光學观望、SMA的環狀星雲中一氧化碳的观望（中）以及在等高線中中性 CO对jWST的各種其他特徵如中性 H2 和多環芳烴 （R））的觀望。Credit: NASA/ESA/O’Dell/Ferland/Henney/Peimbert/Thompson; SMA image and SMA/JWST image overlay: Joel Kastner/RIT

關鍵要點

回到1779 年環狀星雲被首次發現，被描述為约木星的尺寸，但僅在邊緣最亮。

現在已知是一顆垂死的太陽一样恆星的被加熱、電離吹掉的外層，它的真正的三維結構已經被爭論了幾個世紀。

用來自亞毫米陣列的無線電波數據增強的哈勃和詹姆斯韦伯太空望远镜觀測，我們現在看到環狀星雲的真實結構。哇，它不只是比一个环如此远更多！

回到1779 年，一個高度不尋常的天體被发现。

環狀星雲能刚好被在天琴座中的夏季大三角內发现：就在最亮恆星織女星的南邊。被发现位於天琴座中第二和第三最亮的恆星之間，連接藍巨星 Sheliak 和 Sulafat 的假想線包含環狀星雲，用紅色圈出，甚至用一副現成的雙筒望遠鏡这能被發現。Credit: NASA, ESA, Digitized Sky Survey 2

它的圓形外觀導致了它的名字：環狀星雲

Credit: Mike Reid of Mike’s Astro

它的从前不確定的起源現在已被知道：一個行星狀星雲。

當我們的太陽耗盡燃料時它將變成一個紅巨星，被在中心有一個白矮星的行星狀星雲跟随。貓眼星雲是一个這種潛在命運的視覺上壯觀的例子，這個特定星雲的錯綜複雜、分層的、不對稱的形狀提示一個雙星伴星。在中心，一顆年輕的白矮星随它收縮加热起来，達到比滋生它的紅巨星表面更高數萬開爾文的溫度。最熱的年輕白矮星表面達到 约150000 K 。Credit: Nordic Optical Telescope and Romano Corradi (Isaac Newton Group of Telescopes, Spain)

許多太陽一样恆星的结束狀態，它的被吹掉的氣體被熾熱的中心恆星殘骸加熱。

在環狀星雲中看到的主要特徵之外，由格雷厄姆山國際天文臺的大型雙筒望遠鏡揭示了薄的纖細的外部的更多氣體群，主要是氫氣。通過組合來自多個天文台的數據，揭示前所未有的特徵的合成圖像能被構建。Credit: NASA, ESA, C. Robert O’Dell (Vanderbilt University), and David Thompson (LBTO)

環狀星雲已經被成像了很多次, 包括被哈伯和詹姆斯韦伯太空望远镜。

這張圖片以三種不同观望顯示同一個天文天體環狀星雲：哈勃（左）、詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机儀器（中）和詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外儀器（右）。在更長的波長，在可見光中看不到的特徵壯觀的出現，而詹姆斯韦伯太空望远镜对来首次揭示它们的許多是足靈敏的。Credit: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow, N. Cox, R. Wesson; NASA, ESA, and C. Robert O’Dell (Vanderbilt University)

這些數據定下了電離氣體、氫分子和複雜的富碳化合物。

這個三面板動畫在可見光 （Hubble）观望、近紅外 （JWST NIRCam）观望甚至更凉的中紅外 （JWST MIRI）观望之間淡出。這個行星狀星雲是所有歷史上最被很好研究的星雲之一，在每個波長範圍內的每一組新觀測都揭示着特定的原子、分子和電離特徵。Credit: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow, N. Cox, R. Wesson; NASA, ESA, and C. Robert O’Dell (Vanderbilt University); Animation: E. Siegel

但与它的欺騙性外表不同，它远不是只是一个环。

Credit: R. Wesson et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2024

為揭示它的真實結構，科學家們需要不同的速度敏感的數據。

這張照片顯示構成毛纳吉亚（Mauna Kea）山頂亞毫米陣列的八個獨立的碟形元件。与光學和紅外望遠鏡不同，這些射電望遠鏡能觀察远更冷、更長波長的信號，並在此過程中映射出一氧化碳等中性分子。Credit: J. Weintroub

用亞毫米陣列，天文學家映射出電離的一氧化碳。

此映射顯示被亞毫米陣列映射的一氧化碳签名。雖然它看起來模糊且被病态定義，但該签名的每個分量的光譜數據能被提取，使围绕該星雲的CO氣體分佈的一个完整3D重建成为可能。Credit: J. Kastner et al., RIT, 2025

来自這些分子的光轉移揭示它們在每個位置正在多快移動。

围绕環狀星雲的一氧化碳分子的亞毫米級陣列數據能让它的3D 位置从来自每個位置的光的光譜偏移被推斷，揭示環狀星雲的 3D 結構的整體桶一样形狀，有一個大的延伸中心腔。Credit: J. Kastner et al., RIT, 2025

然後天文學家能重建環狀星雲的完整三維形狀。

這張示意圖顯示環狀星雲（Messier 57）的幾何和結構，就像如果從側面看而不是沿我們的視線上观望它看起來會是的樣子。這顯示星雲的寬的光暈、內部區域、朝向我們延伸和遠離我們的低密度物質裂片，以及突出的辉光圓盤。新的詹姆斯韦伯太空望远镜和亞毫米陣列數據現在已经增強了这个基於早期哈勃的圖片。Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

它是一個桶狀的物质的殼，大約6000 年前被发射。

通過追蹤不同種類的氣態和電離分子的特徵，科學家們能重建各種特徵：一個桶狀的被加熱物質的“環”，大約有 6000岁老，帶有一個傾斜的、更年輕的極地流出，沿著星雲構型的“長軸”吹出。Credit: J. Kastner et al., RIT, 2025

在「桶」內部，一個更年輕、略微傾斜的極地流出清除这个內部。

儘管詹姆斯韦伯太空望远镜能夠探測長波長的紅外特徵，但甚至有更凉的只能被在無線電波長中揭示的氣體特徵。一氧化碳數據指向一个詹姆斯韦伯太空望远镜和哈勃望遠鏡也是敏感的，周圍和外部更高能特征的中性氣體的“皮膚”。 Credit: J. Kastner et al., RIT, 2025

摺疊在詹姆斯韦伯太空望远镜數據中揭示一个围绕桶的電離氣體的中性分子“皮膚”的一个薄層。

這个观望展示環狀星雲的一个三維模型，以及它的內部和外部結構，如果它圍繞主環結構旋轉了 360 度我們將體驗它的。垂直的叶片、從密集的結浮现的富含尖峰的發射以及外部光暈都是可見的。Credit: NASA, ESA, G. Bacon and F. Summers (STScI)

這項工作完善和增強更早基於哈勃望遠鏡的環狀星雲結構的理解。

這顆垂死的恆星的殘骸直接位於環的中心。

只基于詹姆斯韦伯太空望远镜數據，追蹤出環狀星雲最亮的部分指向一個與白矮星殘骸偏移的中心位置。這種不匹配潜在的表明一顆暗淡的伴星存在和位置。Credit: R. Wesson et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2024

找到一顆迄今為止尚未被探测到的中心伴星將完成這張图片。

通過利用紅外詹姆斯韦伯太空望远镜（左）和無線電波亞毫米陣列（右）數據，人们能確定创造这个環狀星雲的中心殘餘恆星一定是的地方。這兩個推斷的位置是不相同的，這表明一顆潛在的伴星在這個星雲的创造中起一个角色。Credit: J. Kastner et al., RIT, 2025

大多寂寞的星期一以圖像、視覺效果和不超過 200 字告诉一個天文学的故事。

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