天体物理学家破解行星状星云中“消失”的硫

汪雨甘捍

我们团队制作的一幅现已成为标志性的拼贴画，展示了22幅著名的PNe作品，按照大致的实物大小顺序以螺旋图案进行艺术排列。最大的PNe的表面亮度比最小的暗十万倍左右，直径可达3 pc。致谢:欧空局/哈勃和美国国家航空航天局、欧洲南方天文台、NOAO/AURA/国家科学基金会。

（）据香港大学：香港大学（HKU）空间研究实验室（LSR）的两名天体物理学家终于解决了一个长达20年的天体物理学难题，该难题涉及在行星状星云（PNe）中发现的元素硫的含量低于预期，而其他元素和其他类型的天体物理物体的预期和测量值则低于预期。

长期以来，预期的硫含量似乎“在行动中缺失”。然而，由于利用了高度准确和可靠的数据，他们在隐藏于众目睽睽之下后终于报到。该团队最近在《天体物理学杂志快报》上报告了他们的发现。

PNe是垂死恒星短暂的发光、喷射、气态外壳，长期以来，专业和业余天文学家都因其多彩多样的形状而着迷。与它们的宿主恒星相比，PNe的寿命只有几万年，而宿主恒星可能需要数十亿年才能通过PN阶段成为白矮星。

因此，PNe提供了恒星垂死挣扎几乎瞬间的快照。它们是研究后期恒星演化的重要科学窗口，因为它们丰富的发射线光谱使人们能够详细研究它们的化学成分。

神秘的硫异常

过去的研究表明，PNe光谱似乎存在硫元素的不同缺乏。这种不足很难解释，因为在质量更大的恒星中，硫（一种α元素）应该与氧、氖、氩和氯等其他元素同步产生。因此，它的宇宙丰度也应该成正比。

令人惊讶的是，尽管在H II区域（氢离子化区域）和蓝色致密星系中观察到硫和氧丰度之间存在很强的相关性，但源自中低质量恒星的PNe始终表现出较低的硫含量，从而导致了困扰天文学家数十年的神秘“硫异常”。



两个图的纵轴是硫相对于氢的丰度。左图-硫异常（蓝色点代表PNe，绿色点代表HII地区和蓝色致密星系），其中硫相对于氧显示。与PNe其他阿尔法元素预期和观察到的1:1锁步行为相比，PN测量的分散性较大。右图:绿点和以前一样，但这次橙色点是来自VLT银河中心PN样本的PNe，硫与氩而不是氧相对应。现在首次看到硫的同步行为，异常几乎消失的平行轨迹和更紧密的关系。Credit:改编自《天体物理学杂志快报》（2024年）。DOI: 10.3847

解开谜团

谭淑玉毕业于HKU大学物理学硕士学位，是HKU LSR分校的研究助理，她和她的导师昆汀·帕克教授（LSR的主任）一起使用了一个前所未有的样本，对位于银河系中心的大约130个PNe进行了异常高信噪比（S/N）的光谱研究。这个特殊的数据集具有最小的背景噪声，允许对光谱特征进行清晰而详细的检查，帮助团队有效地处理和解决这个谜团。

这些PNe是使用位于智利的世界领先的欧洲南方天文台（ESO）8米甚大望远镜观测到的。事实证明，这种异常本质上是PNe光谱中硫发射线数据质量差的结果。发现使用氧作为其他元素的基本金属性比较物是不准确的，相反，氩显示出与硫的氧更强的相关性，并被建议作为金属性的更可靠指标和合适的比较元素。



智利ESO望远镜拍摄的行星状星云PN NGC 5189。有人说它看起来像中国在太空中的飞龙。图像:ESO

因此，当一个大的、精心挑选的PNe样本在大型望远镜上以高信噪比进行光谱观测时，不仅数据首次揭示了PNe硫的强烈同步行为，正如其他类型的天体物理物体所看到和预期的那样，而且异常本身也有效地消失了。

作者有效地驳斥了先前的说法，即行星状星云中的硫异常是被低估的较高硫电离阶段或弱硫线通量的结果。这一发现强调了高质量数据在揭开科学之谜方面的至关重要性。