王良策马：大质量恒星翻起的“银河浪花”

在秋季北方的夜空，一个“W”形状的星座格外引人注目，这就是星空里著名的“王冠”——仙后座。在西方的神话故事里，她是埃塞俄比亚的王后；而在中国古天文中，这里是马车夫王良为天子策马御车在阁道上飞驰的星官。

《史记·天官书》曰：“汉中四星，曰天驷。旁一星曰王良。王良策马，车骑满野。”“汉”即“星汉”，是我国古代对银河的称谓，而高悬在四匹天马前方的是王良手中扬起的马鞭，叫做“策”星。王良的这条马鞭，不仅让四匹天马风驰电掣，也激起了一朵绚丽的“银河浪花”。

仙后座中的王良、阁道和策星 | 图源：Stellarium

01大质量恒星翻起的“银河浪花”

“策”星即仙后座γ星（γ Cassiopeia，简写为γ Cas），位于仙后座的中点，是北天最亮的恒星之一（见下方彩图）。

γ Cas属于B型主序星，是一类大质量恒星。在之前的一篇科普文章中，我们曾介绍过大质量恒星可以通过强大的辐射电离周围的原子和分子气体，产生一个以氢离子和电子为主的热气体团，天文学家称之为电离氢区。事实上，除了辐射以外，大质量恒星在演化过程中还可以通过外流[1]、星风[2]和爆发，不断地将能量和物质反馈到星际空间。

像“策”星这样的大质量恒星的各类反馈（外流、辐射、星风、和爆发等）深刻地改变着星际介质的分布、结构、物理化学和动力学性质，驱动着星际介质的往复循环，也驱动着星系的不断演化。

在下面这张来自美国NASA宽视场红外巡天探测器（WISE）拍摄的银道面第二象限的部分天区的图像中，随处可见绚丽多彩的亮云、空腔和气泡，它们多来自不同演化阶段大质量恒星反馈的“杰作”，犹如一朵朵奔腾的“银河浪花”。

WISE的红外巡天图像，蓝、青、绿、红分别来自3.4、4.6、12、22微米图像。 | 图源：

http://wise.ssl.berkeley.edu/

位于仙后座的W3/W4/W5是银道面上著名的大质量恒星形成区复合体，因为W4形似心脏，而W5如同其旁的灵魂，它们一起组成了银道面上的 “心魂”星云（Heart & Soul Nebulae）。在W4和W5的中心分别是IC1805和IC1848大质量星团；而两个星团中的恒星通过辐射与星风的共同作用，分别“吹出”了一个大尺度的空腔。特别是W4，它的空腔与银道面大致垂直，尺度超过100pc，仿佛是在银道面上开出了一个“超级烟囱”。[3]

位于仙后座的Cas A，是大约公元1681年一次超新星爆发的遗迹，也是全天最亮的射电源之一。在Cas A的周围看到一些明亮的黄色星云，源自超新星爆发时的星光“打”到这些云上的反射，称为“回光”。[4]

IC1396星团吹出的星风泡：在中心大质量恒星的辐射和星风作用下，在星风泡的周围形成了一系列彗状的星云；在这些彗状星云的顶端，新一代的恒星形成正被触发。其中最引人注目的是靠近中心星的“象鼻”星云，它顶着恒星强大的辐射和星风，犹如一块风向标，在其它气体和尘埃被瓦解和卷走的时候，它依然屹立不倒。

位于天鹅座的“茧状星云”中，新形成的大质量恒星正待“破茧而出”。来自大质量恒星的强烈辐射加热了星周的云层—气体和尘埃组成的“茧”—再在红外波段辐射出绚烂的“浪花”。大家看，在“浪花”的中心是不是藏着一颗情人节的爱心？

02 γ Cas：大质量恒星的“课代表”

〇 多波段观测常用参考源之一

作为一颗亮星，γ Cas有着悠久的观测历史，并展现出神秘多变的特性。早在19世纪，天文学家在光学观测中发现该星有清晰的氢线发射，类似的恒星随后被陆续发现，统称为Be星（即具有发射线的B型主序星）。后来的研究归结为大质量恒星演化到一定阶段后自身高速旋转，抛出的物质形成一个以氢为主的盘（decretion disk），于是有了清晰的氢线发射。

仙后座γ星的光学图像，IC69和IC53是被其照亮的两个彗状星云。 | 图源：Tommaso Stella。

经过大量的研究，天文学家目前对γ Cas的基本性质，诸如质量（17个太阳质量）、距离（约170pc）、年龄（约8兆年）、和双星周期（约203天）等都有了准确的掌握。因此，γ Cas也是大质量恒星多波段观测研究中的常用参考源之一。

〇 研究大质量恒星反馈的好样本

近期，在分析仙后座天区的大质量恒星样本过程中，紫台的科研团队将目光投向了γ Cas，并取得新的进展。基于国际归档数据和“银河画卷”高灵敏CO数据，团队在γ Cas的周围首次发现了一个膨胀的气体空腔，测得的空腔尺寸和膨胀速度分别为6.0 pc×4.2 pc和5公里每秒。膨胀空腔所揭示的强烈星风反馈能量达到约4×10²⁴千瓦（太阳3.8×10²³千瓦，10倍太阳的能量）；而来自γ Cas的强烈UV辐射在其周围驱动了两个快速移动的彗状星云（IC59和IC63）。

左：来自HI4PI巡天的HI积分强度图（中性氢），速度积分区间-13至-7 km/s，右：来自WHAM的Hα图像（电离氢）。多波段巡天图像勾勒出一个围绕γ Cas（红星所示）的空腔，位于大尺度的电离氢区内［5］。

该结果有助于我们更好地认识这颗被天文学者频繁研究的亮星，也为研究大质量恒星的反馈提供了一个很好的样本。

图a背景来自WISE红外卫星的巡天图像（12微米），展示了γ Cas（红星所示）照亮并驱动的IC63/IC59两个彗状星云；叠加的银河画卷的CO观测结果（不同颜色的轮廓线来自不同的速度区间），揭示了IC63和IC59两个彗状星云的快速移动。图b和图c是两个彗状星云的放大图像。[5]

〇 独特的太阳系外X射线源

γ Cas也是最早发现的太阳系外X射线源之一。然而，其硬而明亮的X射线发射与大部分Be星上观察到的X射线发射有很大的差异，具体表现在能量高一个量级、含多种热成分、且具有时变。银河系X射线巡天发现了一批具有类似X射线性质的大质量恒星，统称为γ Cas类恒星。

此类大质量恒星的X射线的起源是恒星天体物理学中的难题之一。现有的两个主流观点，恒星－星周盘之间的磁相互作用与伴星吸积模型，均无法全面解释观测到的X射线性质。

示意图：γ Cas双星系统中的星风相互作用可能导致了观测到的奇特X-ray辐射 | 图源：作者

基于紫台团队的工作，源自γ Cas的强烈星风从观测上支持了最近提出的一个新模型，即此类恒星的奇特X射线发射源于双星系统中星风与星风的相互作用。因此，团队的观测结果对理解大质量恒星的演化和银河系的能量收支也有着重要的参考意义。

从让天马飞奔驰骋，到研究大质量恒星与星际介质的反馈作用的课代表，γ Cas一如其中国古代的名字“策”，起了鞭策、激励的重要作用。随着银河画卷的徐徐展开和更多CO谱线数据的获得，我们将会把那里的“银河浪花”看得更清。

参考文献：

[1]. Bally, J., Protostellar Outflows, 2016, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 54, 491

[2]. Kudritzki, R.-P., & Puls, J., Winds from Hot Stars, 2000, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 38, 613

[3]. Normandeau, M., Taylor, A. R., Dewdney, P. E, A galactic chimney in the Perseus arm of the Milky Way, 1996, Nature, 380, 687

[4]. Krause, O. et al., The Cassiopeia A Supernova Was of Type IIb, Science, 320, 1195

[5]. Chen, X., et al. Feedback from Gamma Cassiopeiae: Large Expanding Cavity, Accelerating Cometary Globules, and Peculiar X-ray Emission, 2021, The Astrophysical Journal, 922, 183

作者简介

陈学鹏

中国科学院紫金山天文台银河系气体分布与性质研究团组首席研究员、博士生导师。

轮值主编：陈学鹏

编辑：王科超