恆星臨終時到底發生什麼？ALMA 觀測 57 張影像揭露老年紅巨星 W Hydrae 不同樣貌

天文學家利用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）揭示了垂死恆星 W Hydrae 大氣層的 57 張高解析度分子電波影像，根據不同的分子影像，呈現出同一顆恆星截然不同的外貌。

這項觀測展現了距離地球約320光年的老年紅巨星W Hydrae（W Hya）在化學上極為多樣、結構高度複雜且動態活躍的環境。研究團隊同時觀測了57條不同分子的譜線，等於同時替一顆恆星拍下了57張不同的分子濾鏡影像，每一張都對應恆星湍流大氣中不同層次與物理條件。

憑藉ALMA卓越的電波解析度（17-20毫角秒），研究團隊得以近距離逐漸檢視漸進巨星分支（AGB）恆星的表面與周遭大氣層。W Hydrae被一層不斷變化的團塊、弧狀結構、羽狀結構和尾狀的氣體條帶所包覆，這些結構的外觀隨著觀測的分子不同而大幅改變。在某些分子影像中，大氣層延伸至恆星半徑的數倍，若將W Hydrae放在太陽系中心，其膨脹的大氣層將吞沒水星、金星、地球與火星。

這些膨脹區域形成由震波、脈動、對流與化學反應共同塑造的巨大雲層。ALMA的高角解析度還觀察到了恆星盤上物質向外流動與向內掉落的過程，靠近恆星表面的氣體以最高約10 km/s向外被推送，再外層一點的物質卻又以最高約13 km/s的速度往內掉回。

▲ ALMA在不同分子譜線下觀測到垂死恆星W Hydrae的不同面貌。此處展示57張影像中的30張。（Source：K. Ohnaka – N. Lira – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)）

研究的另一項亮點為直接聯繫起分子與新生塵埃的關係。研究團隊將ALMA的分子影像與甚大望遠鏡（VLT）取得的可見光偏振影像進行比對，兩批資料的觀測時間相差僅九天，如此緊密的觀測時間使得研究人員能夠幾乎即時地將氣體化學反應與塵埃形成聯繫起來。

結果顯示SiO、水氣（H₂O）、AlO等分子恰好位在VLT影像中看到的團塊狀塵埃雲之處，顯示它們直接參與了塵埃粒子的生成。SO、SO₂、TiO，可能還有TiO₂在部分區域與塵埃重疊，推測也透過震波驅動的化學作用參與塵埃形成。HCN則多在靠近恆星的區域形成，但並未直接參與塵埃生成。這些結果是第一次在具解析度的尺度上，追蹤到分子轉換成塵埃的過程。

▲ Line 5（SiO）（左）與Line 9（SO₂）（右）。透過比較SiO發出的光和甚大望遠鏡（VLT）拍攝的塵埃（固體顆粒）影像，可以研究塵埃顆粒如何從氣體中凝結。利用SO₂則可以探測脈動恆星產生的衝擊波衝擊的氣體中的化學成分。（Source：K. Ohnaka, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)）

這些觀測為理解臨終恆星如何拋出物質提供了極為珍貴的實驗室。AGB在生命末期大量拋出氣體與塵埃，這些物質將豐富星際介質中的元素與分子，最終形成新的恆星、聚集成行星、衛星、小行星與彗星，甚至構成生命所需的關鍵化學成分。然而，AGB恆星的質量流失，是恆星物理中最大、尚未解決的難題之一，而對最內層區域（即外流開始和塵埃剛形成的地方）進行直接的高解析度成像對於解決這一問題相當關鍵。

有了 ALMA，天文學家終於可以直接觀測到物質流出剛起始的區域，那裡震波、化學作用與塵埃生成彼此交織。W Hydrae給了我們一個難得的機會，用真正看得見細節的資料來檢驗並修正現有模型。