恆星爆炸時恆星中央究竟發生了什麼

2020-07-19 視界漫遊
恆星爆炸時恆星中央究竟發生了什麼

  第一張超新星殘餘物的放射性地圖。藍色展示了利用美國宇航局NuSTAR太空天文臺觀測到的高能量X射線的放射性物質。

  

恆星爆炸時恆星中央究竟發生了什麼

  這張演示圖展示了超新星爆炸的發展。巨大的恆星(左圖)內部產生了像鐵一樣重的元素,恆星在巨大的爆炸事件中爆發(中間),外層物質到處散落,形成所謂的超新星殘餘物的結構(右圖)。

  

恆星爆炸時恆星中央究竟發生了什麼

  通過提供爆炸(藍色)鍛造的放射性物質的第一張地圖,NuSTAR補充了之前對仙后座A源殘餘物(紅色和綠色)進行的觀測。

 美國生活科學網站報導,近日科學家們表示,恆星摧毀性的爆炸死亡似乎是不均衡的宇宙爆燃。這項最新發現是基於美國宇航局X射線繪製的核光譜望遠鏡陣列(NuSTAR)太空望遠鏡收集的數據,它或可能提供,恆星在以超新星形式爆炸時恆星中央究竟發生了什麼的線索,研究人員補充說道。

  碳以後的元素是在巨大的恆星內部合成,它們組成了恆星、行星和人類。這些元素在恆星生命末期發生的爆炸過程中擴散至太空,超新星是如此明亮以至於瞬間讓整個星系相形見絀。

  恆星剛出生時質量往往是太陽的8倍以上,而它們生命終結時則是以所謂內核坍塌的超新星形式。當這樣一顆巨大恆星燃料殆盡時,它會在幾分之一秒的時間內坍塌成為一個極度密集的核塊。隨後落入坍塌核心的物質將反彈,產生暴力的衝擊波將物質向外炸飛。

  在過去的幾十年間,「我們產生的最好的超新星爆炸模型要求恆星以對稱的形式坍塌,」研究首席作者、美國加州帕薩迪納市加州理工學院的天體物理學家布萊恩·格裡芬斯泰特(Brian Grefenstette)這樣說道。「恆星是巨大的球狀氣體球,因此它們必須以某種球狀形式坍塌也並非無道理。」

  「問題是,當你試圖讓恆星以對稱形式坍塌從而爆炸時,它根本就不會爆炸,」 格裡芬斯泰特說道。這種失敗很明顯發生在對稱模型裡,因為始於恆星中央並將摧毀恆星的衝擊波被所有上方的物質所圍困,這意味著衝擊波「找不到出路,」 格裡芬斯泰特說道。

  因此,天體物理學家探索了不同的方式,在他們稱之為非對稱的垂死恆星物質裡添加波紋漣漪,「使得衝擊波能夠突出重圍撕裂恆星,」 格裡芬斯泰特解釋道。然而,至於這種內核坍塌的超新星究竟長什麼樣科學家們仍不清楚——預測的形狀因採用的爆炸模型的不同而迥然不同。

  現在通過觀察爆炸附近的殘餘物,科學家們證實了超新星可以是非對稱的。「我們的結果是朝觀測恆星中央的具體情況邁出的第一步。」

  研究人員調查了仙后座A源,一個位於11000光年遠,發生在350年前的超新星爆炸殘餘物。他們關注於放射性鈦同位素Ti-44的分布,後者產生於恆星內核的深處。超新星將鈦-44拋射出去,就像炸彈散開殘骸一樣。

  「我們就像法醫一樣,研究著爆炸之後的放射性灰燼,希望理解在爆炸過程中發生了什麼。」 格裡芬斯泰特說道。由於鈦-44具有放射性,「它會發出一種特殊顏色的光——高能量X射線。」研究人員利用NuSTAR太空望遠鏡觀察這種發光的物質,「這是第一臺拍攝了這種顏色光的細節圖片的望遠鏡,使得我們能夠獲得之前隱藏的很多信息。」

  這些圖片顯示了放射性同位素以不均勻的方式散布傳播,這解釋了爆炸過程其實是更不對稱的,而不僅僅限於球狀爆炸,雖然它本質上並非完全不平衡。

  「我們的結果指向了一個觀點,也就是爆炸的發生是因為恆星核心在坍塌過程中有所晃動,」 格裡芬斯泰特說道。「在這種情況下,我們認為過程有點類似在爐子上煮開水,氣泡產生於壺底,然後慢慢上升,使得表面的水有所晃動,並導致某些蒸汽的洩露。」

  「在超新星裡,這種熱並非來自爐子的燃燒器,而是來自名為中微子的小型粒子,後者產生於爆炸中央巨大的壓力。」 格裡芬斯泰特說道。「這些中微子加熱了坍塌中央的物質,使得巨大的炙熱氣體泡透過物質上升,引起恆星核心略微晃動。」

  這些晃動「使得衝擊波擺脫圍困它們的物質,一旦這種情況發生,整個事件就類似於你在高壓鍋頂部穿了個孔——整體都爆炸了。」 格裡芬斯泰特說道。這項研究被發表在2月20日的期刊《自然》上。

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