新型超新星的發(fā)現(xiàn)揭開千年謎團(tuán)
作者:馮麗妃
發(fā)布時(shí)間:2021-06-30
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新型超新星的發(fā)現(xiàn)揭開千年謎團(tuán)

蟹狀星云。圖片來源:NASA

美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校拉斯坎布雷斯天文臺科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)全球團(tuán)隊(duì),發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)令人信服的證據(jù),證明了一種新型的恒星爆炸——電子捕獲超新星。

盡管這一理論已被提出40年,但現(xiàn)實(shí)世界中卻一直難以找到相應(yīng)的案例。它們被認(rèn)為是由大質(zhì)量超漸近巨分支(SAGB)恒星的爆炸產(chǎn)生的,對此也缺乏證據(jù)。這一發(fā)表在《自然—天文學(xué)》雜志的發(fā)現(xiàn),也為公元1054年超新星爆發(fā)的千年之謎提供了新解釋。

歷史上,超新星主要分為兩類:熱核坍縮和鐵核坍縮。

熱核超新星是一顆白矮星在雙星系統(tǒng)中獲得物質(zhì)后發(fā)生的爆炸。這些白矮星是低質(zhì)量恒星(質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的8倍)生命結(jié)束后遺留下來的稠密的火山灰核。當(dāng)一顆大質(zhì)量的恒星(約是太陽質(zhì)量的10倍)耗盡核燃料,其鐵核坍縮,產(chǎn)生黑洞或中子星時(shí),就會出現(xiàn)鐵核坍縮超新星。

介于這兩種主要超新星之間的是電子捕獲型超新星。當(dāng)這些恒星的核心由氧、氖和鎂構(gòu)成時(shí),它們就會停止聚變;其質(zhì)量不足以產(chǎn)生鐵核坍縮。

雖然引力總是試圖壓碎一顆恒星,但阻止大多數(shù)恒星坍縮的原因,要么是正在進(jìn)行的核聚變,要么是核聚變已經(jīng)停止的核心,即原子無法壓縮得更緊。在一個(gè)電子捕獲超新星中,氧-氖-鎂核中的一些電子被撞到它們的原子核中,這個(gè)過程叫做電子捕獲。這種電子的移除導(dǎo)致恒星的核心在自身重量的作用下彎曲和坍塌,形成了一種電子捕獲超新星。

如果這顆恒星稍微重一些,其核心元素就會融合產(chǎn)生更重的元素,從而延長它的壽命。因此,這是一種與“金發(fā)姑娘效應(yīng)”(意指剛剛好)情況相反的情況:恒星不夠輕,無法逃脫其核心的坍縮;也不夠重,無法通過不同的方式延長其生命并在之后死亡。

這是1980年由東京大學(xué)的Kenichi Nomoto等提出的理論。在過去的幾十年里,理論學(xué)者已經(jīng)制定了關(guān)于在電子捕獲超新星和它們的SAGB恒星前身中尋找什么的預(yù)測。恒星應(yīng)該有很多質(zhì)量,在爆炸前失去了很多,而瀕死恒星附近的質(zhì)量應(yīng)該是一種不尋常的化學(xué)成分。那么電子捕獲超新星應(yīng)該很弱,有很少的放射性沉降物,并且在核心有富含中子的元素。

這項(xiàng)新研究是由加州大學(xué)圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文臺的博士Daichi Hiramatsu帶隊(duì)。他是全球超新星項(xiàng)目(GSP)的核心成員,這是一個(gè)由全球科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì),他們在全球范圍內(nèi)使用數(shù)十個(gè)望遠(yuǎn)鏡。研究小組發(fā)現(xiàn),超新星SN 2018zd有許多不尋常的特征,其中一些特征是首次發(fā)現(xiàn)的。

這顆超新星相對較近,在ngc2146星系中,距離地球只有3100萬光年,這對它的生存有利。這使得研究小組能夠檢查哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在其爆炸前拍攝的檔案圖像,探測其潛在的前身星。這些觀測結(jié)果與最近在銀河系中發(fā)現(xiàn)的另一顆SAGB恒星一致,但與紅超巨星的模型不一致,紅超巨星是普通鐵核坍縮超新星的前身。

作者瀏覽了所有發(fā)表的關(guān)于超新星的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)雖然有些擁有一些預(yù)測電子捕獲超新星的指標(biāo),但只有SN 2018zd擁有所有這六種指標(biāo):一個(gè)明顯的SAGB前身星、強(qiáng)大的超新星前質(zhì)量損失、不尋常的恒星化學(xué)成分、微弱的爆炸、很少的放射性和一個(gè)富中子的核心。

“我們一開始問‘這個(gè)怪家伙是什么?’”Hiramatsu說,“然后我們研究了SN 2018zd的各個(gè)方面,意識到這些可以在電子捕獲場景中得到解釋?!?/p>

這些新發(fā)現(xiàn)也揭示了過去最著名的超新星的一些奧秘。公元1054年,銀河系發(fā)生了一顆超新星,根據(jù)中國和日本的記錄,它非常明亮,白天23天內(nèi)都可以看到,晚上近兩年內(nèi)可以觀測到。由此形成的蟹狀星云已得到詳細(xì)研究。

蟹狀星云以前是一顆能捕獲電子的超新星的最佳候選天體,但它的狀態(tài)并不確定,部分原因是這次爆炸發(fā)生在近一千年前。新結(jié)果增加了歷史上的SN 1054是一顆電子捕獲超新星的信心。這也解釋了為什么這顆超新星比模型中要亮:其亮度可能是因?yàn)槌滦菄姵鑫锱cSN 2018zd中所看到的原始恒星釋放的物質(zhì)發(fā)生碰撞而增強(qiáng)的。

東京大學(xué)的Ken Nomoto對其理論被證實(shí)感到興奮。“我很高興這個(gè)電子捕獲超新星終于被發(fā)現(xiàn)了,它與40年前的蟹狀星云有關(guān)?!彼f,“我非常感謝為獲得這些觀測所付出的巨大努力。這是觀察和理論結(jié)合的一個(gè)極好的例子。”

“對我們所有人來說,這是一個(gè)‘頓悟的時(shí)刻’,我們結(jié)束40年的理論爭議做出了貢獻(xiàn)?!盚iramatsu補(bǔ)充說。

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https://doi.org/10.1038/s41550-021-01384-2


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