史上最大單星爆發暗示第一代恆星死亡細節

2021-01-14 科普熊貓




宇宙第一代恆星是如何死亡的？


近日，美國哈佛大學-史密森尼天體物理研究中心的研究團隊在《天體物理學雜誌》發表的論文，將人們的目光聚焦到2016年11月發現的一顆超新星上。


這是一顆名為SN2016iet的超新星，是迄今為止人類觀測到的最大單星爆炸之一。它的前身是一顆質量超過太陽百倍的超大恆星。更特別的是，SN2016iet歷經3年才徹底消失，人類有幸見證了這一特殊恆星的凋落歷程，留下豐富的數據，堪稱宇宙賜給人類的禮物。而它或許代表著包括宇宙中誕生的第一顆恆星在內的超大質量恆星的死亡方式。


那麼，SN2016iet是怎樣被人類發現的？除了質量大，它還有哪些特性？記錄它的死亡過程究竟有哪些意義？


恆星生命的華麗終結


相信很多人都有看到流星許願的經歷，那是宇宙中的塊體物質在接近地球時，被地球引力拽過來，「親吻」大氣層並摩擦燃燒產生的光跡。人的眼睛總是更容易被運動的物體吸引，久而久之，流星就被賦予了美好的意義。然而，很少有人知道，夜空中的很多恆星，會以更壯烈的方式結束自己發光發亮的一生——超新星爆發，即一顆恆星的「自爆」。


超新星是指恆星演化過程中的一個階段，但並非所有的恆星都有資格成為超新星。天文學家認為，恆星的演化必定以三種可能的冷態之一為終結：白矮星、中子星、黑洞。太陽在浩瀚的宇宙中算是個「小塊頭」，它將最終演變成低光度、高密度、高溫度的白矮星；相比而言，大質量的恆星（如10倍太陽質量或更重的恆星）更傾向於坍縮成為密度非常高的中子星或黑洞，在此之前會爆炸成為超新星。


超新星爆發時極其明亮，所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，從開始到結束往往只有幾周至幾個月。但這期間內一顆超新星的輻射能量相當於太陽在其一生中輻射能量的總和。


但是，普通人卻很難在夜空中看到絢爛的超新星。那是因為一方面超新星爆發是一個星系中很少見的事件；另一方面，超新星爆發基本都遠在數千萬甚至上億光年之外，只有大型天文望遠鏡才能看到。


特殊超新星吸引地球「目光」


2016年11月4日，歐洲太空局（ESA）下屬的「蓋亞」太空望遠鏡最先發現了SN2016iet。隨後，位於美國亞利桑那州圖森的「卡塔琳娜」實時瞬變巡天系統（CRTS）以及位於美國夏威夷的全景瞬變巡天系統（Pan-STARRS）分別在2017年1月和2017年3月獨立發現了它。


之後，位於美國夏威夷的直徑8.1米的「雙子星」北座望遠鏡和智利的直徑6.5米的「麥哲倫-巴德」望遠鏡等地面天文觀測系統也紛紛加入「戰團」。其中「雙子星」北座望遠鏡在其中扮演了最為重要的角色。哈佛大學-史密森尼天體物理研究中心埃多⋅伯格教授表示，「雙子座」提供了比其他觀測手段更深入的超新星觀測結果。這使科學家得以在發現SN2016iet後800多天還能對其進行研究，儘管當時它的亮度已降低到峰值亮度的百分之一。


研究人員通過多個地面望遠鏡跟蹤超新星逐漸減弱的光線，最後得出結論，在它爆炸之前，這顆巨大恆星的質量在55到120個太陽之間，而其誕生時的質量甚至可能是太陽的200倍。它在整個生命周期中逐漸失去一些外層物質，大約在它進入爆炸之前的十年中，它以大約每年三個太陽質量的速度迅速減重。


「除了質量大，與其它超新星相比，它的光譜和光變曲線還具有一些特殊的觀測特徵。」中國科學院國家天文臺副研究員張天萌告訴科技日報記者，SN2016iet的光譜中沒有發現氫和氦的譜線，而是以中等質量元素，如碳、氫、鈣等譜線為主，說明在爆發前，其前身星最外層的氫和氦殼層都已經消耗殆盡。而且，它爆發的位置距離它可能的寄主星系很遠，達到54000光年，處於一個比較孤立的環境中。


中國科學院國家天文臺副研究員李海寧補充道，我們稱光譜中呈現的化學豐度模式為「化學指紋」。因為一個天體的化學成分通常不會隨著它的空間運動遷移發生變化，能夠反映出其誕生地等本質上的特點，這與人類的指紋或DNA類似。SN2016iet具有超大質量，且其所處環境缺乏金屬元素，表明它的前身恆星很可能誕生在宇宙中極早的恆星形成時期，也就是尚未形成足夠金屬元素的早期階段。


經典模型受到挑戰


SN2016iet有許多特殊之處，包括超長的持續時間、巨大的能量、不尋常的「化學指紋」，以及周圍環境的重元素貧乏等。正如哈佛大學-史密森尼天體物理研究中心塞巴斯蒂安⋅戈麥斯教授所說：「當我們第一次意識到SN2016iet有多麼不尋常時，我的反應是——難道我們的數據出現了可怕的錯誤？」


既然它如此特殊，研究它必然有非凡的意義。當一顆典型的大質量恆星耗盡燃料時，它的核心會坍塌成更小更穩定的中子星或黑洞。相當於幾十個太陽的超大質量恆星的死亡過程則有所不同，科學家們研究認為，當其核心加熱到一定程度時，會形成電子及其反物質夥伴正電子。與中子星的中子不同，電子-正電子對沒有任何方法來支撐核心抵抗重力。因此，超大質量恆星在死亡時將一直坍塌，直到它消失在黑洞的奇點中之前，會發生失控的核聚變，引爆整個恆星。這就是天文學家所說的脈衝對不穩定性超新星（PPISN）。但直到現在，這基本上還是一個理論性的想法。


「SN2016iet是被發現的第一個金屬豐度和前身星質量都符合PPISN模型的超新星，其測光和光譜演化或許可以用該模型來解釋。」張天萌談到，它的前身恆星的主序質量被估計為120到260個太陽質量，寄主星系的金屬豐度是太陽金屬豐度的10%。PPISN模型預言大質量、貧金屬的恆星會在特定的條件下產生正負電子對，使得恆星的狀態方程發生變化，導致其不穩定性增加，進而發生爆炸。


李海寧告訴記者，目前的經典模型普遍認為宇宙中的第一代恆星應該是大質量甚至超大質量的，而它們正是以超新星爆發的方式結束自己的生命，其中PPISN就是一種可能的死亡方式。通過觀測和研究SN2016iet，可以類推第一代恆星的性質及其死亡過程。


「但是，SN2016iet與PPISN模型並非完全相符。」張天萌指出，根據觀測數據，它的前身星在爆發前的短短幾年時間裡，拋出了大約一半的質量，而現有模型認為這需要幾千年的時間跨度。


「因此，未來天文學家們需要更多的觀測數據來修正PPISN模型，或者找到更合理的模型來描述SN2016iet這類超新星的爆發。」張天萌說。


來源：科技日報


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