恒星的第10001種死法
超新星SN1054爆發(fā)留下的蟹狀星云 NASA
圖片來(lái)源:www.quantamagzine.org
iPTF14hls與普通ⅡP型超新星光變曲線的對(duì)比
宇宙中,每秒鐘都有恒星死去。雖然恒星結(jié)束生命的方式不外乎核塌縮和熱核爆炸兩種,但它們結(jié)合各自的物理、化學(xué)狀態(tài),細(xì)化出無(wú)數(shù)種死法。真是應(yīng)了那句話:有一萬(wàn)種死法,你要選哪種?可有顆恒星卻不走尋常路,它似乎選擇了——
標(biāo)準(zhǔn)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》雜志就介紹了一個(gè)特殊的超新星爆發(fā)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),一顆被命名為iPTF14hls的超新星在近兩年的時(shí)間里,爆發(fā)了5次。在全球大視場(chǎng)巡天開(kāi)展得如火如荼的當(dāng)下,每天都會(huì)發(fā)現(xiàn)十幾顆超新星,但如此走向死亡的恒星卻前所未有。清華大學(xué)和國(guó)家天文臺(tái)的研究人員作為該研究的合作者,利用國(guó)內(nèi)的中小型望遠(yuǎn)鏡設(shè)備為這項(xiàng)工作貢獻(xiàn)了重要數(shù)據(jù)。
一波三折的發(fā)現(xiàn)過(guò)程
2014年9月22日,著名的帕洛瑪瞬變?cè)囱蔡祉?xiàng)目利用大視場(chǎng)相機(jī)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)突然變亮的點(diǎn)。作為一顆超新量候選體,它被命名為iPTF14hls。按照傳統(tǒng)的超新星研究過(guò)程,應(yīng)該迅速尋找大口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光譜證認(rèn)。出于某些原因,iPTF并未公布該超新星的發(fā)現(xiàn)信息,也沒(méi)有啟動(dòng)后續(xù)的監(jiān)測(cè)。
兩個(gè)月后,另外一個(gè)超新星巡天卡特琳娜實(shí)時(shí)瞬變?cè)囱蔡煊?014年11月18日獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了該超新星的爆發(fā)。因?yàn)榭雌饋?lái)亮度變化不大,天文學(xué)家沒(méi)有對(duì)這顆超新星更進(jìn)一步關(guān)注。
2015年的第一天,國(guó)家天文臺(tái)與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展的超新星巡天項(xiàng)目探測(cè)到了這顆超新星的再次變亮,并于2015年1月8日利用國(guó)家天文臺(tái)2.16米望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了它的第一條光譜。光譜顯示,這是一顆ⅡP型超新星。這類超新星在爆發(fā)時(shí)包含有大量的氫和氦元素,其亮度會(huì)在爆發(fā)后50—100天保持緩慢變化。這與之前的觀測(cè)相符合。因此我國(guó)超新星研究者判斷這是一顆普通的ⅡP型超新星,再次錯(cuò)失了這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。
100天后,iPTF14hls迎來(lái)了第三次的亮度增加,大量的望遠(yuǎn)鏡將鏡頭對(duì)準(zhǔn)“事發(fā)地點(diǎn)”,開(kāi)始對(duì)iPTF14hls進(jìn)行集中觀測(cè)。此后的300天內(nèi),科學(xué)家又探測(cè)到至少兩次亮度增加的現(xiàn)象。也就是說(shuō),在長(zhǎng)達(dá)600多天的時(shí)間內(nèi),這顆超新星至少5次突然變亮,然后又暗淡下去。
iPTF14hls所在的星系有個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的名字SDSS J092034.44+504148.7,它距離地球約4億光年。之所以科學(xué)家對(duì)這個(gè)星系的距離并不十分確定,是因?yàn)樗鼘?shí)在是太過(guò)暗淡、太過(guò)平淡無(wú)奇,因此之前從未有望遠(yuǎn)鏡專門對(duì)準(zhǔn)它。而超新星iPTF14hls五次爆發(fā)的“事跡”在天文界前所未有,才讓iPTF14hls和它所在的星系成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。
恒星生命的終點(diǎn)
超新星是恒星終結(jié)生命的一種形式。當(dāng)恒星耗盡其內(nèi)部核反應(yīng)原料時(shí),會(huì)開(kāi)始不可阻擋地塌縮,隨后產(chǎn)生劇烈的爆發(fā)。爆發(fā)會(huì)讓恒星的亮度迅速增加10個(gè)量級(jí)以上,并將恒星的大部分物質(zhì)以上萬(wàn)公里/秒的速度拋射到空曠的宇宙中。在宇宙空間中,每秒鐘都有一次超新星爆發(fā)在上演,而人類所有的探測(cè)設(shè)備集中在一起也只發(fā)現(xiàn)其中的十萬(wàn)分之一?,F(xiàn)有的超新星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,絕大部分超新星會(huì)在爆發(fā)后的幾十天到1年內(nèi),亮度下降到觀測(cè)儀器的探測(cè)極限以下,最終從我們的視野中消失,遺留下一個(gè)中子星或者黑洞,又或者尸骨無(wú)存。
超新星這個(gè)名詞的出現(xiàn)至今不到百年時(shí)間。上世紀(jì)末最后十年,SN 1987A爆發(fā)、超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光測(cè)量宇宙以及部分超新星與伽馬暴成協(xié)等重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)一一出現(xiàn),使越來(lái)越多科學(xué)家將目光聚焦到超新星。
根據(jù)光度變化曲線和光譜特征,超新星可以被分為很多類型。其中所占比例最大的兩類,分別是來(lái)源于主序質(zhì)量到達(dá)8—16個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量紅巨星爆發(fā)的ⅡP型,和吸積伴星質(zhì)量達(dá)到質(zhì)量極限最終爆發(fā)的Ia型。最近十年,隨著更多大視場(chǎng)超新星巡天項(xiàng)目的開(kāi)展,越來(lái)越多的特殊超新星被發(fā)現(xiàn),為超新星研究揭開(kāi)了新的篇章。
不斷復(fù)活的“僵尸”超新星
一般來(lái)說(shuō),超新星爆發(fā)后會(huì)在幾天或者幾周內(nèi)達(dá)到光度極大,然后逐漸暗淡。當(dāng)然,凡事有例外,超新星在爆發(fā)后出現(xiàn)多次光度增亮現(xiàn)象也曾有過(guò)先例,比如著名的SN 1987A和1993J。
iPTF14hls被天文學(xué)家戲稱為“僵尸”超新星。它在演化的終點(diǎn)遲遲不肯離去,多次爆發(fā)。到底是什么讓它一再“復(fù)活”?
對(duì)于超新星再次變亮,天文學(xué)家有多種解釋。首先是適用于最多場(chǎng)景的鎳元素56號(hào)同位素的衰變。在演化的最后階段,恒星會(huì)在高溫高壓狀態(tài)下合成鎳元素的56號(hào)同位素,之后它會(huì)通過(guò)放射性衰變,緩慢地變?yōu)殂t和鐵,并釋放能量,使超新星再次變亮。SN 1987A和1993J再次變亮的機(jī)制就與這種機(jī)制類似,但它一般只會(huì)使超新星產(chǎn)生一到兩次的亮度增加。其次,如果超新星爆發(fā)時(shí),其周圍有一個(gè)前身星星風(fēng)吹出的物質(zhì)殼層,那么當(dāng)爆發(fā)拋出的物質(zhì)進(jìn)入這些殼層后,會(huì)與這些殼層發(fā)生相互作用,加熱這些物質(zhì)使其發(fā)出輻射。輻射提供的能量會(huì)使超新星的亮度下降速度減緩,并且會(huì)伴隨有射電和X射線的輻射。但對(duì)iPTF14hls的觀測(cè)并沒(méi)有探測(cè)到射電或者X射線的輻射。第三種可能,如果超新星爆發(fā)后形成一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的、磁場(chǎng)較強(qiáng)的中子星,這樣的中子星會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)速度的減緩,使其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輻射能,為超新星的輻射注入新的能量。但這樣的能量注入一般是單次的,也無(wú)法解釋iPTF14hls的5次變亮,而且現(xiàn)有的模型也不支持包含有大量氫元素的恒星產(chǎn)生這樣的高速?gòu)?qiáng)磁場(chǎng)中子星。
研究表明,在爆發(fā)之前,iPTF14hls可能是一顆質(zhì)量超過(guò)100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的低金屬豐度恒星。這種恒星生命晚期會(huì)在特定的條件下產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì),使得恒星的狀態(tài)方程發(fā)生變化,導(dǎo)致其不穩(wěn)定性增加,進(jìn)而拋出部分外層物質(zhì),并重新達(dá)成穩(wěn)定的狀態(tài)方程。多次重復(fù)這個(gè)過(guò)程就會(huì)在超新星外部形成多重殼層。最終恒星徹底死亡爆發(fā)后,拋出的物質(zhì)與不同殼層的相互作用就會(huì)產(chǎn)生iPTF14hls的奇特光變曲線。
遺憾的是,該模型預(yù)言超新星在爆發(fā)時(shí)將損失絕大多數(shù)氫元素,這與iPTF14hls光譜中發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的氫譜線相悖,而且模型預(yù)計(jì)的爆發(fā)總能量比實(shí)際觀測(cè)到的要低一個(gè)量級(jí)。如此看來(lái),該模型也不是iPT14hls這類奇特超新星爆發(fā)的最終答案。未來(lái)更多與iPTF14hls類似的超新星的早期觀測(cè)數(shù)據(jù),加上日益完備的恒星演化模型,也許會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)恒星的一種新死法。(張?zhí)烀茸髡呦祰?guó)家天文臺(tái)副研究員)
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