作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/30 12:17:34
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新型超新星的发现揭开千年谜团

 

蟹状星云。图片来源:NASA

美国加州大学圣塔芭芭拉分校拉斯坎布雷斯天文台科学家领导的一个全球团队,发现了第一个令人信服的证据,证明了一种新型的恒星爆炸——电子捕获超新星。

尽管这一理论已被提出40年,但现实世界中却一直难以找到相应的案例。它们被认为是由大质量超渐近巨分支(SAGB)恒星的爆炸产生的,对此也缺乏证据。这一发表在《自然—天文学》杂志的发现,也为公元1054年超新星爆发的千年之谜提供了新解释。

历史上,超新星主要分为两类:热核坍缩和铁核坍缩。

热核超新星是一颗白矮星在双星系统中获得物质后发生的爆炸。这些白矮星是低质量恒星(质量约为太阳质量的8倍)生命结束后遗留下来的稠密的火山灰核。当一颗大质量的恒星(约是太阳质量的10倍)耗尽核燃料,其铁核坍缩,产生黑洞或中子星时,就会出现铁核坍缩超新星。

介于这两种主要超新星之间的是电子捕获型超新星。当这些恒星的核心由氧、氖和镁构成时,它们就会停止聚变;其质量不足以产生铁核坍缩。

虽然引力总是试图压碎一颗恒星,但阻止大多数恒星坍缩的原因,要么是正在进行的核聚变,要么是核聚变已经停止的核心,即原子无法压缩得更紧。在一个电子捕获超新星中,氧-氖-镁核中的一些电子被撞到它们的原子核中,这个过程叫做电子捕获。这种电子的移除导致恒星的核心在自身重量的作用下弯曲和坍塌,形成了一种电子捕获超新星。

如果这颗恒星稍微重一些,其核心元素就会融合产生更重的元素,从而延长它的寿命。因此,这是一种与“金发姑娘效应”(意指刚刚好)情况相反的情况:恒星不够轻,无法逃脱其核心的坍缩;也不够重,无法通过不同的方式延长其生命并在之后死亡。

这是1980年由东京大学的Kenichi Nomoto等提出的理论。在过去的几十年里,理论学者已经制定了关于在电子捕获超新星和它们的SAGB恒星前身中寻找什么的预测。恒星应该有很多质量,在爆炸前失去了很多,而濒死恒星附近的质量应该是一种不寻常的化学成分。那么电子捕获超新星应该很弱,有很少的放射性沉降物,并且在核心有富含中子的元素。

这项新研究是由加州大学圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文台的博士Daichi Hiramatsu带队。他是全球超新星项目(GSP)的核心成员,这是一个由全球科学家组成的团队,他们在全球范围内使用数十个望远镜。研究小组发现,超新星SN 2018zd有许多不寻常的特征,其中一些特征是首次发现的。

这颗超新星相对较近,在ngc2146星系中,距离地球只有3100万光年,这对它的生存有利。这使得研究小组能够检查哈勃太空望远镜在其爆炸前拍摄的档案图像,探测其潜在的前身星。这些观测结果与最近在银河系中发现的另一颗SAGB恒星一致,但与红超巨星的模型不一致,红超巨星是普通铁核坍缩超新星的前身。

作者浏览了所有发表的关于超新星的数据,发现虽然有些拥有一些预测电子捕获超新星的指标,但只有SN 2018zd拥有所有这六种指标:一个明显的SAGB前身星、强大的超新星前质量损失、不寻常的恒星化学成分、微弱的爆炸、很少的放射性和一个富中子的核心。

“我们一开始问‘这个怪家伙是什么?’”Hiramatsu说,“然后我们研究了SN 2018zd的各个方面,意识到这些可以在电子捕获场景中得到解释。”

这些新发现也揭示了过去最著名的超新星的一些奥秘。公元1054年,银河系发生了一颗超新星,根据中国和日本的记录,它非常明亮,白天23天内都可以看到,晚上近两年内可以观测到。由此形成的蟹状星云已得到详细研究。

蟹状星云以前是一颗能捕获电子的超新星的最佳候选天体,但它的状态并不确定,部分原因是这次爆炸发生在近一千年前。新结果增加了历史上的SN 1054是一颗电子捕获超新星的信心。这也解释了为什么这颗超新星比模型中要亮:其亮度可能是因为超新星喷出物与SN 2018zd中所看到的原始恒星释放的物质发生碰撞而增强的。

东京大学的Ken Nomoto对其理论被证实感到兴奋。“我很高兴这个电子捕获超新星终于被发现了,它与40年前的蟹状星云有关。”他说,“我非常感谢为获得这些观测所付出的巨大努力。这是观察和理论结合的一个极好的例子。”

“对我们所有人来说,这是一个‘顿悟的时刻’,我们结束40年的理论争议做出了贡献。”Hiramatsu补充说。

相关文章链接:

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

 
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