超新星遺蹟400年未減速

2020-12-05 騰訊網

克卜勒超新星遺蹟距離地球約20000光年，是我們銀河系中一處重要的「遺址」。1604年初，不少天文學家親眼目睹了一顆恆星的爆炸，其中也包括著名的約翰內斯·克卜勒（Johannes Kepler）。

X射線波段中的克卜勒超新星遺蹟。不同顏色代表了不同能級的X射線，紅色為0.5-1.2keV，綠色為1.2-2.0keV，藍色為2.0-7.0keV。（來源：NASA/CXC/Univ of Texas at Arlington/M. Millard et al.）

現代天文學早已能夠解釋，當時克卜勒見到的現象是所謂的Ia型超新星爆炸，而這個星雲就是那次劇烈爆炸所留下的遺蹟。那裡曾經有一顆白矮星和一顆緊密圍繞它旋轉的恆星。但後來，白矮星不斷從小夥伴身上「揩油」，把伴星的物質吸積到自己身上。當自己的質量超過了一個限度（錢德拉塞卡極限），便觸發了劇烈的熱核爆炸，自己被炸得粉碎，殘骸向外噴射、膨脹。

雖然聽上去非常慘烈，但這卻是宇宙中最正常不過的演化規律，Ia型超新星也是最常見的超新星類型之一。天文學家利用「錢德拉」X射線望遠鏡記錄到超新星遺蹟以超過每小時3200萬公裡的速度從爆炸中心向外膨脹，這個速度超過音速的25000倍。最新的研究追蹤了克卜勒超新星遺蹟中15個「小疙瘩」（碎片），它們都能在X射線波段中發光。測量結果顯示，爆炸波正以每小時2400萬公裡的速度膨脹，這些碎片的平均速度約為每小時1600萬公裡，最快的碎片速度達到每小時3700萬公裡，這也是迄今為止X射線檢測到的超新星殘骸碎片的最高時速。

天文學家在克卜勒超新星遺蹟中標定的「小疙瘩」（來源：Sato & Hughes 2017）

研究人員通過分析2016年獲得的「錢德拉」X射線光譜估算了「小疙瘩」的速度。該光譜給出了不同波長的X射線強度，科學家通過比較特徵譜線的波長與實驗室數值，利用都卜勒效應，測量了每個碎片的視向速度（碎片與「錢德拉」X射線望遠鏡視線方向上的速度）。並且，他們還調用了2000年、2004年、2006年和2014年的圖像來檢測它們的位置變化，測量垂直於我們視線的移動速度。最後，將這兩個方向上的測量結果合在一塊兒，估計出每個碎片在三維空間中的真實速度。從動畫中可以明顯看到這些碎片向外膨脹的情況，場面十分震撼。

研究人員繪製的碎片的三維速度模型（來源：Millard et al. 2020）

這項研究很有意義也很有趣。例如，15個被標定的碎片中有8個確定是在遠離地球，只有2個被確認向著地球移動。再如，速度最快的4個碎片都在一個相似方向上運動，且都有類似數量的重元素（如矽等），這表明它們誕生於白矮星的同層中。天文學家也對照了其他星系中Ia型超新星爆炸後不久的光學影像，發現雖然經過了400多年，但那些碎片並沒有因為與周圍物質相碰撞而減慢自身的膨脹速度。造成這種情況的原因還不是特別清楚。

對了，最後提醒一句，克卜勒超新星是最後一個用肉眼觀測到的超新星，也是「上一次」銀河系內的目擊超新星事件。按理說，像銀河系這樣的星系，100年裡應該有少則1次、多則3次超新星事件。當然，我們也不能排除在我們視線被遮擋的銀河的對面可能已經發生過了，但不管怎樣，畢竟已經400多年過去了……下一個會是幾十？又會是誰呢？

參考資料：

[1] Kepler's Supernova Remnant: Debris from Stellar Explosion Not Slowed After 400 Years

(https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/images/keplers-supernova-remnant-debris-from-stellar-explosion-not-slowed-after-400-years.html)

[2] Matthew J. Millard et al.An Ejecta Kinematics Study of Kepler’s Supernova Remnant with High-Resolution Chandra HETG Spectroscopy (2020)

(DOI: 10.3847/1538-4357/ab7db1)

[3] Toshiki Sato and John P. Hughes. Freely Expanding Knots of X-Ray Emitting Ejecta in Kepler’s Supernova Remnant (2017)

(DOI: 10.3847/1538-4357/aa8305)

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