行星状星云中硫元素的含量低于预期，是困扰了天体物理学界20年的难题。近日，香港大学太空研究实验室 (The Laboratory for Space Research，LSR) 的两位天体物理学家最终利用高精度和可靠的数据，揭示了硫元素“失踪”的秘密。此发现已在《天体物理学期刊快报 (Astrophysical Journal Letters) 》上发表。
研究背景
行星状星云（PNe）是由垂死恒星所喷射出来的气体包围层，其短暂发光的过程呈现色彩缤纷的形状，长期以来深受学术及业余天文学家的关注。相较于他们的宿主恒星，PNe的寿命只有几万年，而宿主恒星却须经历数十亿年方可步入PN阶段，演化成最终的“白矮星”。因此，PNe为恒星的衰落阶段提供了“实时快拍”；同时，由于PNe含有丰富的发射线光谱，天文学家可通过分析他们所发出的特定光线来研究PNe的化学组成，并以此作为研究恒星晚期演化的重要指标之一。
神秘硫异常现象
过去的研究表明，PNe的光谱中明显缺乏了硫元素。这一直令学界大惑不解，因为硫被称为“α元素”，理论上在大质量的恒星中应与氧（Oxygen，O）、氖（Neon，Ne）、氩（Argon，Ar）和氯（Chlorine，Cl）等更重的元素同步产生，因此，它的宇宙丰度也应该与其他元素成正比。
但令人奇怪的是，虽然在HII区域（氢电离区域）和蓝色紧凑星系中观察所得的硫和氧含量呈现出很明显的相关性（见图二），但低到中等质量恒星的PNe却一直呈现出较低的硫水平——这种“硫异常”现像令天文学界困扰了20年之久。
右图 – 绿色点与左图相同，但这根橙色点是来自我们VLT银河系中心PN样品的PNe、硫与氩而不是氧绘制。在这时，硫首次出现了同步行为，并有一个平行轨迹和更紧密的关系，其中硫异常几乎消失了。
图片来源：《天体物理学期刊快报》（The Astrophysical Journal Letters），961卷L47（共9页），2024年2月1日出版。
港大团队致力破解“硫失谜团”
港大太空研究实验室研究助理及物理学系硕士毕业生谭舒宇女士（第一作者）和她的导师、太空研究实验室总监柏坤霆教授（Professor Quentin Parker，第二作者），利用了一组前所未有、讯噪比（signal-to-noise ratio，S/N）极高的光谱数据，对大约130个位于银河系中心的PNe进行了研究。这组数据的杂质极小，让团队可对光谱特征进行清晰而详细的检查，有效地解开了此谜团。
团队利用位于智利、属于欧洲南方天文台（European Southern Observatory，ESO）的8米大型望远镜进行了观测。结果发现，硫元素在PNe光谱中的发射线数据质量较差，这导致使用氧作为金属丰度比较的方法不太准确。相反，氩与氧之间的相关性较强，被认为是更可靠的金属丰度指标。
通过研究筛选后的高信噪比数据，团队首次揭示了PNe中硫元素与其他元素同步的证据，进而否定了先前学界的观点，即行星状星云中的硫异常是由低估了高硫离子化阶段或弱硫辐射线通量所导致的。这一发现凸显了高质量数据在解开科学谜团中的重要性。
参看研究论文：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad1ed9/pdf
附录一：图像灵感来自第二作者和IvanBojičić，并由DavidFrew和作者的协助下由IvanBojičić创建。图中行星状星云的名称从左上角开始按照螺旋形排列依次为：Abell 33、K 1-22、NGC 7293、IC5148/50、NGC 2818、NGC 6853、NGC 5189、IC4406、Shapley 1、IC289、Fleming 1、NGC 3132、IC4406、NGC 6720、NGC 2440、NGC 1501、NGC 2392、NGC 6543、NGC 6826、NGC 7009、IC418、NGC 7027及HD 44179。
