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天文学家首次捕捉到转瞬即逝的超新星激波暴

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:5

    天文学家首次捕捉到转瞬即逝的超新星激波暴

    20分钟,不要说是对于拥有亿万年寿命的恒星,即使对于我们人类来说,也是非常短暂的一段时间。而在天文学家的努力下,大质量恒星数百万年生命中仅会经历一次的特殊20分钟,竟然也被他们捕捉到了。

    利用美国航空航天局(NASA)的开普勒空间望远镜,天文学家首次在可见光波段观测到了超新星爆发的激波所产生的明亮闪光——仅有20分钟的“激波暴”的现象。

    这段动画体现了激波暴出现的过程。最初,激波突破红巨星表面,伸出一些手指状的等离子喷流。在20分钟后,激波威力达到顶峰,亮度陡然升高。随后,整个恒星在一场超新星爆发中分崩离析。来源:NASA Ames,STScI/G. Bacon

    超新星是大质量恒星生命终结时的盛大谢幕。与太阳不同,大质量恒星核心的核聚变反应不会在产生碳和氧后终结,而是会逐级进行下去,产生更重的元素,直至最为稳定的铁。铁原子核无法继续进行聚变反应并释放能量,失去能量供给的恒星温度降低,核心的压力再也无法对抗自身的引力,于是开始向内坍缩。

    恒星坍缩时,核心外部的物质下落速度可以超过光速的20%。高速下落的物质撞击在已成为中子星,无法继续压缩的内核上,被反弹了出去,从而产生了由内向外快速传播的激波。激波冲破恒星表面的时候释放出能量,让恒星亮度陡然提高,这就是“激波暴”。而整颗恒星也随之爆发,成为了超新星。(不同于由吸收了过多伴星物质的白矮星形成的Ia型超新星,这类超新星一般被称为核坍缩超新星。)

    激波暴持续时间很短,对于IIP型超新星(核坍缩超新星中的一类,前体恒星外面还包裹着氢的外壳),仅有20分钟。它只是超新星亮度开始大幅上升之前一次短暂的闪光,很难直接观测到。而了解激波暴,对认识超新星爆发的机制又是非常重要的。所以,捕捉激波暴的闪光,对天文学来说意义重大。

    此前,天文学家曾通过对某些超新星的观测找到了激波暴留下的间接证据,例如现代天文学发展起来之后人类遭遇的最近超新星,大麦哲伦云中的SN 1987a。虽然天文学家在1987年发现这颗超新星时已经错过了观测激波暴的时机,但激波暴发出的闪光让SN 1987a周围的气体发生了电离,这些电离气体重新获得电子时发出了明亮的光,在超新星曾经的位置周围产生了一个光环。在两年多之后,天文学家果然找到了这样的光环。

    为了捕捉转瞬即逝的激波暴,由美国圣母大学的天体物理学教授Peter Garnavich领导的国际团队利用了NASA的开普勒空间望远镜。开普勒的主要任务本来是搜索太阳系外行星,为了完成这项工作,它会持续监视大量恒星的亮度,根据亮度的周期变化找出表明有行星存在的凌星现象。开普勒无间歇的观测模式和出色的测光能力,正好也适合用来监视超新星。

    “要看到某些时间尺度为分钟量级的事件,例如一次激波暴,你需要一台能持续监视天空的照相机,”Garnavich说,“你不知道什么时候会发生一次超新星爆发,而高度警觉的开普勒让我们可以在超新星爆发开始之时见证它的整个过程。”

    Garnavich和同事利用开普勒望远镜监视了500个遥远的星系,每隔30分钟就进行一次亮度测量,并坚持了3年。他们分析观测数据,在这些星系的50万亿颗恒星中搜索超新星爆发的信号。

    他们发现,开普勒的视场内,在2011年有两颗红超巨星发生了超新星爆发。(开普勒望远镜的工作方式是大量收集光变曲线,供日后分析,因此天文学家研究的不是“实时”的数据。)其中一个KSN 2011a,直径约为太阳的300倍,距离地球仅有7亿光年,另一个KSN 2011d,直径约为太阳的500倍,距离地球约12亿光年。如果把它们放到太阳的位置,在正常轨道上运行的地球都会被吞入恒星内部。

    这两颗超新星的光变曲线都与现有II型超新星理论的数学模型吻合的很好,但在细节上却有些令人意想不到的不同。尽管它们都经历了威力超凡的能量爆发,但研究者只发现较大的那颗恒星出现了激波暴。他们推测,较小的那颗恒星可能被浓密的气体包裹着,遮掩住了激波暴的闪光。

    理解超新星的物理机制,有助于科学家更好的认识化学元素以及生命本身是怎样在我们的银河系中诞生并散布开来的。“宇宙中所有的重元素都来自于超新星。例如,所有的银、镍和铜,甚至我们的身体,都来自于恒星死亡时的爆炸,”开普勒项目的科学家Steve Howell说,“生命因超新星而存在。”(内容来源:NASA 编译:韩晶晶)

    论文链接:https://arxiv.org/abs/1603.05657

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