香港大學太空研究實驗室發現五億年歷史擁有熾熱藍心的罕見行星狀星雲


由香港大學太空研究實驗室領導的國際天文學研究團隊,在一個距今約五億年的銀河系疏散星團中,首次發現一顆行星狀星雲M37(NGC2099)。這個發現十分罕見,具有極高的天體物理學研究價值。

行星狀星雲發生於恆星演化末期,當恆星外層的氣體殼經膨脹和電離後,噴射出的恆星覆蓋物會形成明亮、在光譜上呈顯着放射線的光。在寧靜黑暗的浩瀚宇宙中,行星狀星雲色彩絢麗、形狀複雜多樣,總是吸引着公眾與天文愛好者的目光,就連目前世上最大的太空望遠韋伯太空望遠鏡亦捕捉了它的倩影,成為首批發放照片中的其中一位主角。

在銀河系已知的約四千顆行星狀星雲中,是次發現的行星狀星雲IPHASX J055226.2+323724,僅僅是與銀河系疏散星團相關聯的第三例;除此之外,它似乎也是至今為止最古老的行星狀星雲。由港大物理學系教授兼太空研究實驗室總監柏坤霆教授(Quentin A. Parker)領導的研究團隊還發現一些有趣的特質,他們發現該行星狀星雲的運動學年齡(kinematic age),即星雲氣體殼被恆星射出後至今的時間,竟高達七萬年之久!此估算是基於星雲膨脹的速率而推斷(即通過測量星雲的發射線,並假設星雲以恆定速率膨脹)。一般行星狀星雲的運動學年齡為五千年至二萬五千年,比較之下,是次發現的星雲實在非常長壽。當然,對宇宙銀河中已存在億萬年的原始恆星而言,行星狀星雲不過是瞬息。

由於這顆星雲位於星團中,而星團的特殊環境可以幫助研究團隊確定部分一般行星狀星雲研究中無法確定的恆星演化參數。這包括估計行星狀星雲的前星體脫離恆星主序帶時的質量(根據由觀測星團中恆星特性繪製的顏色-星等圖得出)。團隊還通過理論等時線(theoretical isochrones)和觀測到的熾熱藍色中央恆星的特性來估算行星狀星雲在噴射後中央恆星的剩餘質量。團隊的研究揭露中心恆星在誕生時的質量,以及此時此刻在白矮星階段的殘餘質量。

在蓋亞(Gaia)衛星取得的數據中,此熾熱的藍核心的距離估算亦為團隊估計行星狀星雲的實際大小提供了很好的依據,他們推算其大小最多為直徑3.2秒差距(parsec, pc ; 星際空間的天文距離計量單位,1pc 等於 3.26 光年),一如團隊所料,這可能也是已知行星狀星雲物理尺寸的極限。

前香港大學物理學系博士研究生瓦西里基·弗拉格庫(Vasiliki Fragkou)博士表示:「這項研究及之前的研究發現三個例子均為亮度微弱而高度演化的雙極(蝴蝶狀)形態星雲。另外,從放射線推測出的化學特質顯示,這三顆行星狀星雲都為I型,並且其前星都具有中至高質量,這些都是科學上的重要發現,實在令人振奮。」

香港大學物理學系教授兼太空研究實驗室總監柏坤霆教授表示:「這僅是第三顆在銀河系疏散星團發現的行星狀星雲,而這三顆與疏散星團相關的星雲全部都由我們的團隊發現。它們提供了一種讓我們能確定恆星的初末態質量關係(inityial to final mass relation)的方法。有趣的是,我們利用這些行星狀星雲得到的初末態質量關係的數據點,都稍稍低於目前實證研究得到的趨勢線的定義域,但位於保拉·馬里戈(Paola Marigo)等人在2020年7月6日在《自然-天文》期刊中發表 Carbon star formation as seen through the non-monotonic initial–final mass relation 論文中,在2-3太陽質量初始質量處的發現的扭結附近。我們團隊發現的疏散星團中行星狀星雲數據點,正好處於現在初末態質量關係趨勢線中觀測恆星數量較少的部分,這使我們的研究工作具有十分重要的意義。」

太空研究實驗室成員之一、港大孔慶熒傑出訪問教授(科技)兼英國曼徹斯特大學阿爾拔·齊爾斯特(Albert Ziljster)教授表示:「是次發現的老星雲對估算行星狀星雲的可觀測時間給予很大的參考價值。這結果亦意味着疏散星團對行星狀星雲來說是一個有利的環境,適合其擴展或衰減,而不會受其他星際物質的干擾。」

【圖、文:節錄自香港大學理學院2022年8月26日新聞公佈;新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2022年8月23日出版的《天體物理學快報》;標題是:The Planetary Nebula in the 500 Myr Old Open Cluster M37

IPHASX = extended Isaac Newton Telescope Wide Field Camera Photometric H-Alpha Survey = 擴展艾薩克牛頓望遠鏡廣角相機H-Alpha光度巡天星表

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