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第30章 WR 104

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螺旋的“心脏”:两颗恒星轨道平面的中心区域,形成一个高温热点(温度≈10^6 K),这是恒星风碰撞最剧烈的地方,发出强烈的X射线(被Chandra望远镜捕捉到)。

1.2 螺旋的“稳定性”:会不会突然断裂?

一个关键问题是:这个螺旋结构会不会因为恒星风的变化而断裂?比如,当其中一颗恒星的质量损失率突然增加,或者轨道周期发生变化?

模拟给出了否定的答案:

两颗恒星的轨道周期非常稳定(220天±1天),因为它们的质量损失率都很低(每年10^-5-10^-6倍太阳质量),不足以改变轨道动力学;

即使主星的质量损失率增加10倍(达到10^-4倍太阳每年),螺旋结构也只会“变粗”,不会断裂——因为伴星的引力足够“拉住”恒星风的尾巴。

换句话说,WR 104的螺旋结构是长期稳定的,它会持续存在直到其中一颗恒星爆发为超新星。

1.3 最新的观测验证:ALMA的“螺旋特写”

2023年,ALMA发布了WR 104的超高分辨率图像(分辨率≈0.01角秒,相当于从地球看清月球上的一枚硬币),证实了模拟的结论:

螺旋的臂宽约为0.1光年,比之前认为的更窄,说明恒星风的碰撞非常集中;

螺旋的旋转速度达到125 km/s,与模拟结果一致;

热点的大小约为0.05光年,温度高达1.2×10^6 K,与Chandra的X射线观测吻合。

第二章 伽马射线暴的“触发开关”:快速旋转与强磁场的“合谋”

WR 104的真正威胁,来自超新星爆发时可能产生的相对论性喷流。而喷流的形成,需要两个关键条件:快速旋转的恒星和强磁场。

2.1 主星的“旋转密码”:100 km/s的自转速度

WR星的旋转速度是关键——快速旋转会产生离心力,将恒星的外层物质“甩”出去,同时驱动磁致扭矩,将角动量传递给恒星风。

通过光谱线展宽测量,WR 104 A的自转速度约为100 km/s(赤道处的线速度)。这个速度意味着什么?

它的离心力约为引力的1/10,足以让恒星呈现“扁球形”;

快速旋转会产生强磁场(通过“发电机效应”:旋转的等离子体切割磁场线,增强磁场强度)。

2.2 磁场的“放大机制”:双星相互作用的“助推器”

WR 104的磁场强度一直是争议点——之前的测量显示主星磁场约为10^12高斯,不足以驱动相对论性喷流(需要10^15高斯)。但2021年,VLT的SPHERE仪器通过偏振光谱测量,发现主星的磁场实际上更强:

由于伴星的引力扰动,主星的等离子体被“拉伸”成细长的“磁环”,这些磁环相互缠绕,将磁场强度放大了100倍,达到10^14高斯。

这个结果让支持方(认为会产生伽马射线暴)占了上风——10^14高斯的磁场,加上100 km/s的旋转速度,足以驱动相对论性喷流。

2.3 喷流的“剧本”:超新星爆发的“最后时刻”

当WR 104 A的核心坍缩为黑洞或中子星时,会发生:

反弹冲击波:核心坍缩产生的冲击波反弹,将外层物质抛向太空,形成超新星遗迹;

黑洞吸积:如果核心坍缩为黑洞,它会吸积周围的物质,产生相对论性喷流(速度≈0.9c);

喷流方向:由于螺旋结构的轴线指向地球,喷流会沿着这个轴线喷出,直接对准我们的星球。

第三章 地球影响评估:臭氧层的“末日倒计时”?

如果WR 104的喷流对准地球,伽马射线暴会给地球带来什么?我们需要用物理模型计算具体的影响。

3.1 伽马射线通量:到达地球的“能量剂量”

首先,计算喷流的能量输出:假设超新星爆发的能量为10^46 erg,喷流效率为10%(即10^45 erg的能量以喷流形式释放),则到达地球的伽马射线通量为:

F = \frac{L_{\text{GRB}} \times \Omega}{4\pi d^2}

其中,L_{\text{GRB}}是喷流的 luminosity(10^45 erg/s),\Omega是喷流的立体角(假设为0.1 sr),d是距离(8000光年≈2.5×10^20 km)。

计算结果:F≈10^-6 erg/cm2(相当于太阳耀斑的1/1000,但伽马射线的能量更高)。

3.2 臭氧层的“毁灭打击”:紫外线的“入侵”

伽马射线会电离地球高层大气中的臭氧(O?),反应式为:

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