太空中的巨型爆炸照亮了千年的神秘面纱


哈勃太空望远镜彩色综合电子捕捉超新星2018ZD和主席Starburst Galaxy NGC 2146 Credit NASA / STSCI / J.depasquale;las cumbres天文台

特拉维夫大学的雷蒙德和贝弗利-萨克勒精密科学系的研究员Iair Arcavi博士参与了一项研究,发现了一种新的恒星爆炸——一种电子俘获超新星。

虽然这些理论已经建立了40年,但现实世界的例子却难以捉摸。这种超新星是由质量为太阳8-9倍的恒星爆炸产生的。这一发现也揭示了公元1054年超新星的千年奥秘,这是古代天文学家所看到的,最终成为蟹状星云,我们今天知道的。

超新星是在两个相对的力之间突然不平衡之后的爆炸,这在整个生命中塑造了明星。重力试图收缩每颗星。例如,我们的阳光,柜台通过核心融合来平衡这一力量,这产生了反对引力拉动的压力。只要有足够的核聚变,重力就无法崩溃星星。然而,最终,核融合将停止,就像汽油在汽车中耗尽,明星会崩溃。对于像太阳这样的星星,折叠的核心被称为白色矮人。白色矮种的这种材料是如此密集,电子之间的量子力防止进一步崩溃。

然而,对于恒星比我们的阳光大的巨大量,电子量子力不足以阻止重力拉动,并且核心继续塌陷,直到它成为一个中子星或黑洞,伴随着巨型爆炸。在中间质量范围内,将电子挤压(或更准确地捕获)原子核。这消除了电子量子力,并使恒星塌陷然后爆炸。

历史上,超新星主要有两种类型。一种是热核超新星——白矮星在双星系统中获得物质后的爆炸。这些白矮星是低质量恒星(一颗质量约为太阳质量8倍的恒星)寿命结束后留下的稠密灰核。另一种主要的超新星类型是核坍缩超新星,在这种超新星中,一颗质量约为太阳质量10倍的大质量恒星耗尽了核燃料,其核坍缩,形成了黑洞或中子星。理论研究表明,电子俘获超新星将发生在这两类超新星的交界处。

这是1980年代由东京大学的肯西州立多和其他人开发的理论。在几十年来,理论家制定了对电子捕获超新星寻找的内容的预测。在爆炸前,星星应该失去大量的特定组合物,超新星本身应该相对较弱,没有放射性的辐射,并产生中子的元素。

这项新的研究发表在《自然天文学》上,重点研究了2018年由日本业余天文学家Koihchi Itagaki发现的超新星SN2018zd。特拉维夫大学天体物理系的Iair Arcavi博士也参加了这项研究。这颗位于NGC 2146星系的超新星具有电子俘获超新星所预期的所有特性,而这在其他超新星中是不存在的。此外,由于这颗超新星相对较近——只有3100万光年远——研究人员能够在哈勃太空望远镜拍摄的爆炸前档案图像中识别出这颗恒星。事实上,这颗恒星本身也符合那种类型的恒星作为电子俘获超新星爆炸的预测,而且与其他类型的超新星爆炸的恒星不同。

虽然过去发现的一些超新星有一些电子俘获超新星的预测指标,但只有SN2018zd有全部六个指标——一个符合预期质量范围的前恒星,强烈的前超新星质量损失,不寻常的化学成分,微弱的爆炸,很少的放射性,以及富含中子的物质。”我们开始问“这个怪人是什么?”加利福尼亚大学圣塔巴巴拉和拉斯坎布雷斯天文台的Daichi Hiramatsu说,他领导了这项研究。然后我们检查了SN2018ZD的各个方面,并意识到所有这些都可以用电子俘获场景来解释。”

新发现也阐明了过去最着名的超新星之一的一些奥秘。在A.D.1054中,一名超新星发生在我们自己的银河系中,并根据中文和日本的记录,它可以在白天可以在白天和晚上施放阴影。得到的残余物,蟹星云,已经详细研究,发现具有不寻常的组合物。它以前是电子捕获超新星的最佳候选者,但这部分不确定,因为爆炸发生了近千年前。新的结果增加了历史悠久的1054超新星是电子捕获超新星的信心。

“这真是太棒了,我们可以用现代乐器在宇宙中的历史活动中阐明,”Arcavi博士说。“今天,有机器人望远镜以前所未有的效率扫描天空,我们可以发现越来越多的罕见事件,对理解自然定律至关重要,而不必在一个事件和下一个活动之间等待1000年。”

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Arcavi博士是全球超新星项目的成员,并利用LAS Cumbres望远镜网络来研究超新星,中子星兼并和横撕裂的罕见瞬态现象,并通过黑洞撕裂。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-021-01384-2

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