即將有超新星現象發生?科學家對脈動恆星的超新星爆炸現象做預測
2020-11-24 前瞻網即將有超新星現象發生？科學家對脈動恆星的超新星爆炸現象做預測
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近段時間，參宿四(獵戶座 α 星)一直是媒體關注的焦點。這顆紅超巨星正在接近其生命的盡頭，而當一顆質量超過太陽10倍的恆星死亡時，它會以一種非常壯觀的方式逝去，也就是變成超新星。近年來，參宿四的亮度已經降到一百年來的最低點，許多太空愛好者對此都感到非常興奮，因為參宿四可能很快就會變成超新星，變成在白天也能看到的耀眼爆炸景象。
雖然獵戶座肩膀上的這顆著名恆星很可能在接下來的幾百萬年內消亡(實際上就幾天的宇宙時間)，但科學家認為它的暗淡是由恆星脈動造成的。這種現象在紅巨星中比較常見，而幾十年來人們一直認為參宿四就是紅巨星。
巧合的是，加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員已經對參宿四這類脈動星的超新星爆炸做出了亮度預測。
物理學研究生賈裡德·戈德堡(Jared Goldberg)與該校卡夫利理論物理研究所(Kavli Institute for Theoretical Physics, KITP)所長、Gluck物理學教授拉爾斯·比爾斯滕(Lars Bildsten)，以及KITP高級研究員比爾·帕克斯頓(Bill Paxton)在《天體物理學雜誌》上發表了一項研究，詳細描述了恆星的脈動會如何影響恆星死亡後的超新星爆炸。
國家科學基金會的研究生研究員戈德堡說:「我們想知道一顆脈動恆星在不同的脈動階段爆炸會是什麼樣子。早期的模型比較簡單，它們不包括脈衝的時間依存性效應。」
當像參宿四這麼大的恆星最終耗盡了核心熔融物質之後，它就失去了防止其在自身巨大重量下崩塌的向外壓力，由此產生的核心坍縮會在半秒內發生。
當恆星內部的鐵核坍縮時，原子會分裂成電子和質子，它們隨後會結合在一起形成中子，並在這個過程中釋放出被稱為中微子的高能粒子。在正常情況下，中微子幾乎不與其他物質相互作用——現在每秒就有100萬億個中微子穿過你的身體，但不會發生一次碰撞。不過說是這樣說，超新星爆炸作為宇宙中最強大的現象之一，在核心坍縮過程中會產生非常巨大的中微子數量和能量，即使只有一小部分中微子與恆星物質發生碰撞，通常也足以發射出可以引爆恆星的衝擊波。
由此產生的爆炸會以驚人的能量撞擊恆星的外層，隨後產生的爆炸可以短暫地照亮整個星系，持續約100天，但輻射只有在電離氫與失去的電子重新結合，並再次變為中性之後才能逃逸(這是個由外而內的過程)，也就是說，經過了一段時間，恆星中心發出的光線最終逃逸出去之後，天文學家才可以看到超新星內部更深處的情況。到了那個時候，剩下的就只有放射性沉降物發出的微弱光芒了，這種沉降物可以持續發光很多年。
超新星的特徵會隨著恆星的質量、總爆炸能量以及恆星半徑而變化。這意味著參宿四的脈動會使得預測它如何爆炸變得更加複雜。
研究人員發現，如果整個恆星都在以一致形式脈動——如果你願意的話，也可以把脈動比作呼吸的起伏——參宿四的超新星爆炸就會像是一顆半徑恆定的靜態恆星。然而，恆星的不同層也可以以不同的方向脈動：恆星外層膨脹而中間層收縮，反之亦然。
對於簡單的脈動情況，該團隊模型得到的結果與沒有考慮恆星脈動的模型結果相似。戈德堡解釋說:「不同脈動階段恆星爆發的超新星爆炸看起來就像一個從更大的恆星或更小的恆星爆發而來的超新星爆炸。」他說：「當你開始考慮更複雜的恆星脈動時，也就是物質同時流入和流出的時候，我們的模型才會產生明顯的差異。」
在這些情況下，研究人員發現，隨著光線從爆炸的更深層逐漸洩漏出來，這些輻射看起來就像是來自不同大小恆星的超新星爆炸。
戈德堡解釋說：「來自恆星被壓縮部分的光比較微弱，就像我們預測來自於更緻密的無脈動恆星的光一樣。」與此同時，來自當時正在膨脹的恆星部分的光會顯得更亮，就好像來自一個更大的無脈動恆星一樣。
戈德堡計劃與物理學教授安迪·豪厄爾(Andy Howell)和KITP博士後研究員埃文·鮑爾(Evan Bauer)一起，向Research Notes of the American Astronomical Society提交一份報告，總結他們專門對參宿四進行的模擬實驗的結果。戈德堡還與KITP博士後Benny Tsang合作，比較不同的超新星輻射傳輸技術，並與物理學研究生Daichi Hiramatsu合作，把理論爆炸模型與超新星觀測作比較。
原文：https://phys.org/news/2020-02-physicists-supernovae-result-pulsating-supergiants.html
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