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史上最大单星爆发暗示第一代恒星死亡细节

来源:科技日报2019-09-10 09:32

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  宇宙第一代恒星是如何死亡的?

  近日,美国哈佛大学-史密森尼天体物理研究中心的研究团队在《天体物理学杂志》发表的论文,将人们的目光聚焦到2016年11月发现的一颗超新星上。

  这是一颗名为SN2016iet的超新星,是迄今为止人类观测到的最大单星爆炸之一。它的前身是一颗质量超过太阳百倍的超大恒星。更特别的是,SN2016iet历经3年才彻底消失,人类有幸见证了这一特殊恒星的凋落历程,留下丰富的数据,堪称宇宙赐给人类的礼物。而它或许代表着包括宇宙中诞生的第一颗恒星在内的超大质量恒星的死亡方式。

  那么,SN2016iet是怎样被人类发现的?除了质量大,它还有哪些特性?记录它的死亡过程究竟有哪些意义?

  恒星生命的华丽终结

  相信很多人都有看到流星许愿的经历,那是宇宙中的块体物质在接近地球时,被地球引力拽过来,“亲吻”大气层并摩擦燃烧产生的光迹。人的眼睛总是更容易被运动的物体吸引,久而久之,流星就被赋予了美好的意义。然而,很少有人知道,夜空中的很多恒星,会以更壮烈的方式结束自己发光发亮的一生——超新星爆发,即一颗恒星的“自爆”。

  超新星是指恒星演化过程中的一个阶段,但并非所有的恒星都有资格成为超新星。天文学家认为,恒星的演化必定以三种可能的冷态之一为终结:白矮星、中子星、黑洞。太阳在浩瀚的宇宙中算是个“小块头”,它将最终演变成低光度、高密度、高温度的白矮星;相比而言,大质量的恒星(如10倍太阳质量或更重的恒星)更倾向于坍缩成为密度非常高的中子星或黑洞,在此之前会爆炸成为超新星。

  超新星爆发时极其明亮,所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系,从开始到结束往往只有几周至几个月。但这期间内一颗超新星的辐射能量相当于太阳在其一生中辐射能量的总和。

  但是,普通人却很难在夜空中看到绚烂的超新星。那是因为一方面超新星爆发是一个星系中很少见的事件;另一方面,超新星爆发基本都远在数千万甚至上亿光年之外,只有大型天文望远镜才能看到。

  特殊超新星吸引地球“目光”

  2016年11月4日,欧洲太空局(ESA)下属的“盖亚”太空望远镜最先发现了SN2016iet。随后,位于美国亚利桑那州图森的“卡塔琳娜”实时瞬变巡天系统(CRTS)以及位于美国夏威夷的全景瞬变巡天系统(Pan-STARRS)分别在2017年1月和2017年3月独立发现了它。

  之后,位于美国夏威夷的直径8.1米的“双子星”北座望远镜和智利的直径6.5米的“麦哲伦-巴德”望远镜等地面天文观测系统也纷纷加入“战团”。其中“双子星”北座望远镜在其中扮演了最为重要的角色。哈佛大学-史密森尼天体物理研究中心埃多·伯格教授表示,“双子座”提供了比其他观测手段更深入的超新星观测结果。这使科学家得以在发现SN2016iet后800多天还能对其进行研究,尽管当时它的亮度已降低到峰值亮度的百分之一。

  研究人员通过多个地面望远镜跟踪超新星逐渐减弱的光线,最后得出结论,在它爆炸之前,这颗巨大恒星的质量在55到120个太阳之间,而其诞生时的质量甚至可能是太阳的200倍。它在整个生命周期中逐渐失去一些外层物质,大约在它进入爆炸之前的十年中,它以大约每年三个太阳质量的速度迅速减重。

  “除了质量大,与其它超新星相比,它的光谱和光变曲线还具有一些特殊的观测特征。”中国科学院国家天文台副研究员张天萌告诉科技日报记者,SN2016iet的光谱中没有发现氢和氦的谱线,而是以中等质量元素,如碳、氢、钙等谱线为主,说明在爆发前,其前身星最外层的氢和氦壳层都已经消耗殆尽。而且,它爆发的位置距离它可能的寄主星系很远,达到54000光年,处于一个比较孤立的环境中。

  中国科学院国家天文台副研究员李海宁补充道,我们称光谱中呈现的化学丰度模式为“化学指纹”。因为一个天体的化学成分通常不会随着它的空间运动迁移发生变化,能够反映出其诞生地等本质上的特点,这与人类的指纹或DNA类似。SN2016iet具有超大质量,且其所处环境缺乏金属元素,表明它的前身恒星很可能诞生在宇宙中极早的恒星形成时期,也就是尚未形成足够金属元素的早期阶段。

  经典模型受到挑战

  SN2016iet有许多特殊之处,包括超长的持续时间、巨大的能量、不寻常的“化学指纹”,以及周围环境的重元素贫乏等。正如哈佛大学-史密森尼天体物理研究中心塞巴斯蒂安·戈麦斯教授所说:“当我们第一次意识到SN2016iet有多么不寻常时,我的反应是——难道我们的数据出现了可怕的错误?”

  既然它如此特殊,研究它必然有非凡的意义。当一颗典型的大质量恒星耗尽燃料时,它的核心会坍塌成更小更稳定的中子星或黑洞。相当于几十个太阳的超大质量恒星的死亡过程则有所不同,科学家们研究认为,当其核心加热到一定程度时,会形成电子及其反物质伙伴正电子。与中子星的中子不同,电子-正电子对没有任何方法来支撑核心抵抗重力。因此,超大质量恒星在死亡时将一直坍塌,直到它消失在黑洞的奇点中之前,会发生失控的核聚变,引爆整个恒星。这就是天文学家所说的脉冲对不稳定性超新星(PPISN)。但直到现在,这基本上还是一个理论性的想法。

  “SN2016iet是被发现的第一个金属丰度和前身星质量都符合PPISN模型的超新星,其测光和光谱演化或许可以用该模型来解释。”张天萌谈到,它的前身恒星的主序质量被估计为120到260个太阳质量,寄主星系的金属丰度是太阳金属丰度的10%。PPISN模型预言大质量、贫金属的恒星会在特定的条件下产生正负电子对,使得恒星的状态方程发生变化,导致其不稳定性增加,进而发生爆炸。

  李海宁告诉记者,目前的经典模型普遍认为宇宙中的第一代恒星应该是大质量甚至超大质量的,而它们正是以超新星爆发的方式结束自己的生命,其中PPISN就是一种可能的死亡方式。通过观测和研究SN2016iet,可以类推第一代恒星的性质及其死亡过程。

  “但是,SN2016iet与PPISN模型并非完全相符。”张天萌指出,根据观测数据,它的前身星在爆发前的短短几年时间里,抛出了大约一半的质量,而现有模型认为这需要几千年的时间跨度。

  “因此,未来天文学家们需要更多的观测数据来修正PPISN模型,或者找到更合理的模型来描述SN2016iet这类超新星的爆发。”张天萌说。于紫月

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