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恒星的第10001种死法

2017-11-23 09:37 来源:科技日报 张天萌

  超新星SN1054爆发留下的蟹状星云 NASA

  图片来源:www.quantamagzine.org

iPTF14hls与普通ⅡP型超新星光变曲线的对比

  宇宙中,每秒钟都有恒星死去。虽然恒星结束生命的方式不外乎核塌缩和热核爆炸两种,但它们结合各自的物理、化学状态,细化出无数种死法。真是应了那句话:有一万种死法,你要选哪种?可有颗恒星却不走寻常路,它似乎选择了——

  标准的超新星都是相似的,特殊的超新星各有各的不同。

  11月9日出版的《自然》杂志就介绍了一个特殊的超新星爆发。天文学家发现,一颗被命名为iPTF14hls的超新星在近两年的时间里,爆发了5次。在全球大视场巡天开展得如火如荼的当下,每天都会发现十几颗超新星,但如此走向死亡的恒星却前所未有。清华大学和国家天文台的研究人员作为该研究的合作者,利用国内的中小型望远镜设备为这项工作贡献了重要数据。

  一波三折的发现过程

  2014年9月22日,著名的帕洛玛瞬变源巡天项目利用大视场相机发现了一个突然变亮的点。作为一颗超新量候选体,它被命名为iPTF14hls。按照传统的超新星研究过程,应该迅速寻找大口径望远镜进行光谱证认。出于某些原因,iPTF并未公布该超新星的发现信息,也没有启动后续的监测。

  两个月后,另外一个超新星巡天卡特琳娜实时瞬变源巡天于2014年11月18日独立发现了该超新星的爆发。因为看起来亮度变化不大,天文学家没有对这颗超新星更进一步关注。

  2015年的第一天,国家天文台与清华大学联合开展的超新星巡天项目探测到了这颗超新星的再次变亮,并于2015年1月8日利用国家天文台2.16米望远镜观测了它的第一条光谱。光谱显示,这是一颗ⅡP型超新星。这类超新星在爆发时包含有大量的氢和氦元素,其亮度会在爆发后50—100天保持缓慢变化。这与之前的观测相符合。因此我国超新星研究者判断这是一颗普通的ⅡP型超新星,再次错失了这个重大发现。

  100天后,iPTF14hls迎来了第三次的亮度增加,大量的望远镜将镜头对准“事发地点”,开始对iPTF14hls进行集中观测。此后的300天内,科学家又探测到至少两次亮度增加的现象。也就是说,在长达600多天的时间内,这颗超新星至少5次突然变亮,然后又暗淡下去。

  iPTF14hls所在的星系有个长长的名字SDSS J092034.44+504148.7,它距离地球约4亿光年。之所以科学家对这个星系的距离并不十分确定,是因为它实在是太过暗淡、太过平淡无奇,因此之前从未有望远镜专门对准它。而超新星iPTF14hls五次爆发的“事迹”在天文界前所未有,才让iPTF14hls和它所在的星系成为科学家们关注的焦点。

  恒星生命的终点

  超新星是恒星终结生命的一种形式。当恒星耗尽其内部核反应原料时,会开始不可阻挡地塌缩,随后产生剧烈的爆发。爆发会让恒星的亮度迅速增加10个量级以上,并将恒星的大部分物质以上万公里/秒的速度抛射到空旷的宇宙中。在宇宙空间中,每秒钟都有一次超新星爆发在上演,而人类所有的探测设备集中在一起也只发现其中的十万分之一。现有的超新星观测数据显示,绝大部分超新星会在爆发后的几十天到1年内,亮度下降到观测仪器的探测极限以下,最终从我们的视野中消失,遗留下一个中子星或者黑洞,又或者尸骨无存。

  超新星这个名词的出现至今不到百年时间。上世纪末最后十年,SN 1987A爆发、超新星作为标准烛光测量宇宙以及部分超新星与伽马暴成协等重要科学发现一一出现,使越来越多科学家将目光聚焦到超新星。

  根据光度变化曲线和光谱特征,超新星可以被分为很多类型。其中所占比例最大的两类,分别是来源于主序质量到达8—16个太阳质量红巨星爆发的ⅡP型,和吸积伴星质量达到质量极限最终爆发的Ia型。最近十年,随着更多大视场超新星巡天项目的开展,越来越多的特殊超新星被发现,为超新星研究揭开了新的篇章。

  不断复活的“僵尸”超新星

  一般来说,超新星爆发后会在几天或者几周内达到光度极大,然后逐渐暗淡。当然,凡事有例外,超新星在爆发后出现多次光度增亮现象也曾有过先例,比如著名的SN 1987A和1993J。

  iPTF14hls被天文学家戏称为“僵尸”超新星。它在演化的终点迟迟不肯离去,多次爆发。到底是什么让它一再“复活”?

  对于超新星再次变亮,天文学家有多种解释。首先是适用于最多场景的镍元素56号同位素的衰变。在演化的最后阶段,恒星会在高温高压状态下合成镍元素的56号同位素,之后它会通过放射性衰变,缓慢地变为铬和铁,并释放能量,使超新星再次变亮。SN 1987A和1993J再次变亮的机制就与这种机制类似,但它一般只会使超新星产生一到两次的亮度增加。其次,如果超新星爆发时,其周围有一个前身星星风吹出的物质壳层,那么当爆发抛出的物质进入这些壳层后,会与这些壳层发生相互作用,加热这些物质使其发出辐射。辐射提供的能量会使超新星的亮度下降速度减缓,并且会伴随有射电和X射线的辐射。但对iPTF14hls的观测并没有探测到射电或者X射线的辐射。第三种可能,如果超新星爆发后形成一个高速旋转的、磁场较强的中子星,这样的中子星会因为旋转速度的减缓,使其旋转动能转化为辐射能,为超新星的辐射注入新的能量。但这样的能量注入一般是单次的,也无法解释iPTF14hls的5次变亮,而且现有的模型也不支持包含有大量氢元素的恒星产生这样的高速强磁场中子星。

  研究表明,在爆发之前,iPTF14hls可能是一颗质量超过100个太阳质量的低金属丰度恒星。这种恒星生命晚期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,进而抛出部分外层物质,并重新达成稳定的状态方程。多次重复这个过程就会在超新星外部形成多重壳层。最终恒星彻底死亡爆发后,抛出的物质与不同壳层的相互作用就会产生iPTF14hls的奇特光变曲线。

  遗憾的是,该模型预言超新星在爆发时将损失绝大多数氢元素,这与iPTF14hls光谱中发现较强的氢谱线相悖,而且模型预计的爆发总能量比实际观测到的要低一个量级。如此看来,该模型也不是iPT14hls这类奇特超新星爆发的最终答案。未来更多与iPTF14hls类似的超新星的早期观测数据,加上日益完备的恒星演化模型,也许会让我们发现恒星的一种新死法。(作者系国家天文台副研究员)

(责任编辑:王蔚)

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