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新型超新星确认

晰数塔互联网快讯
2021-07-01 20:30

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗，题图来自：NASA

一

超新星，是宇宙中最绚丽的“烟火”。

在一项最新的研究中，天文学家发现了首个令人信服的证据表明，宇宙中存在着一种新型的恒星爆炸——电子俘获超新星。早在大约40年前，东京大学的Ken’ichi Nomoto等人就提出过关于电子俘获超新星的理论，但一直以来，天文学家都没有找到它们真实存在于宇宙中的的例子。

超新星主要分为两种类型：热核和铁核坍缩。热核超新星是一颗白矮星在双星系统中获得了物质后发生的爆炸，这些白矮星是低质量恒星（约小于8倍太阳质量）在生命结束后遗留下来的致密残骸；铁核坍缩超新星是当大质量恒星（约大于10倍太阳质量）耗尽核燃料时，其铁核坍缩，形成黑洞或中子星时产生的。

电子俘获超新星介于这两种主要超新星之间。根据理论，它是由大质量的超渐近巨星支（SAGB）恒星爆炸产生。这些恒星的质量在8~10倍太阳质量之间，这样的质量不足以产生铁，当它们的核心由氧、氖和镁构成时，就会停止聚变。一旦耗尽燃料，引力就会挤压氧-氖-镁核心中的原子，迫使电子在一个被称为电子俘获的过程中进入原子核，导致恒星的核心在自身重量的作用下发生弯曲和坍缩，从而形成电子俘获超新星。但对于这些预测，科学家一直缺乏证据证明。

质量约为太阳质量8-10倍的恒星的最终状态。当核心变得足够致密时，氖和镁开始吞噬电子，降低核心压力，引发坍缩。| 图片来源：S. WILKINSON; LAS CUMBRES OBSERVATORY

现在，一个国际研究团队用两年的时间，收集了超新星SN 2018zd的详细数据，并确认了这就是第三种超新星。他们将这一发现发表在《自然-天文》杂志上，为与电子俘获超新星相关的理论提供了首个证据。

二

在过去的几十年里，理论家已经对电子俘获超新星以及它们的SAGB恒星前身天体做了很多预测。比如他们认为这类恒星应该质量很大；它们在爆炸前会失去很多质量；在即将死亡时，它们应该有着不同寻常的化学成分。此外，电子俘获超新星应该很弱，只有很少的放射性沉降物，并且其核心应该有富含中子的元素。

终于，在这次的新研究中，研究人员通过全球范围内的数十个望远镜，在超新星SN 2018zd身上发现了许多不同寻常的特征，其中有的特征是首次出现在超新星上的。

SN 2018zd于2018年3月被天文学家发现，它位于NGC 2146星系，距离我们大约3100万光年之远。研究人员检查了由哈勃空间望远镜拍摄到的爆炸前的图像，并探测到爆炸发生之前的前身恒星的样子。这些观测结果与最近在银河系中发现的另一颗SAGB恒星一致，但与红超巨星——普通铁核坍缩超新星的前身天体，有所不同。

他们查阅了所有已发表过的关于超新星的数据，发现虽然其中有些也拥有一部分与预测中的电子俘获超新星相符的特征，但只有SN 2018zd拥有所有相符的特征——它拥有一个SAGB恒星作为前身天体，在爆炸发生之前有重大的质量损失，它还有不同寻常的化学成分，且爆炸微弱，以及很少的放射性和一个富含中子的核心。很明显，所有的证据都表明，这是一颗电子俘获超新星。

新发现还揭示了一些其他超新星所隐藏的奥秘。公元1054年，中国天文学家记载了发生在银河系发生中的超新星爆发，它非常明亮，乃至天文学家在23天的白天都能看到它的存在；在夜晚，它更是闪耀了将近两年的时间。这就是超新星SN 1054，它的残骸最终形成了著名的蟹状星云。

蟹状星云的合成图像。| 图片来源：NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF AND G. DUBNER (UNIVERSITY OF BUENOS AIRES)

在此之前，SN 1054是一颗用于研究电子俘获超新星的最佳候选，它的许多方面都已经被详细研究过，但其状态还具有一定的不确定性，部分原因是这次爆炸发生在近一千年前。新的结果增强了这颗历史上著名超新星是一颗电子俘获超新星的可能性，也解释了为什么它比模型中要更亮。因为正如在SN 2018zd所看到的那样，其亮度可能由于超新星喷出物与原始恒星释放的物质发生碰撞而得到了加强。

三

论文的第一作者是加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的Daichi Hiramatsu，对于此次的发现，他表示：“对我们所有人来说，这是一个‘顿悟的时刻’，我们终于可以完成40年前的理论闭环。对我个人来说，我的天文学生涯是从我在高中图书馆中看到那些令人惊叹的宇宙图片开始的，其中一个就是哈勃空间望远镜拍摄到的蟹状星云。”

作为电子俘获超新星理论的提出者之一，Nomoto为这一发现感到兴奋。他表示：“我很高兴这个电子俘获超新星终于被发现了，我的同事和我曾在40年前预测过它的存在，而且它与蟹状星云有关。我非常感谢为获得这些观测所付出的巨大努力。这是观测和理论结合的一个极佳例子。”

天文学家相信，这颗超新星还将帮助我们解码更多有关于超新星的秘密。并且在这个过程中，我们将获取更多与之有关的基本物理学信息，比如一些中子星是如何形成的，极端恒星是如何生存和死亡的，以及构成我们的元素是如何产生并散布在宇宙中的。

彩蛋

我们已经知道，大质量恒星在超新星爆发后，其核心会坍缩成致密天体黑洞或中子星。当这些致密天体相互靠近、并合时，会搅乱时空，产生以光速传播的引力波。在过去的几年里，研究人员已经探测到了由双黑洞并合和双中子星并合产生的引力波。昨天，在历经了约18个月的分析后，天文学家宣布他们首次发现由黑洞吞噬中子星产生的引力波，而且是两个这样的引力波事件。