電子捕獲超新星的存在可以解釋蟹狀星云。

（圖片來源：NASA/STSCI/J.Depasquale；Las Cumbres天文臺(tái)）

科學(xué)家們找到了這種難以捉摸的超新星存在的證據(jù)，能夠解釋發(fā)生在1000年前的一次明亮的大爆炸以及蟹狀星云的產(chǎn)生。

超新星爆炸出現(xiàn)在一顆恒星的毀滅時(shí)，足以照亮了星系內(nèi)的全部恒星，使它們?cè)谟钪娴牧硪欢丝梢?。?shù)十年來，科學(xué)家們總結(jié)了兩種超新星爆炸的類型—鐵核坍縮超新星、熱核超新星。質(zhì)量在10倍太陽之上的恒星，在燃盡了核燃料時(shí)向內(nèi)坍縮，使得外層發(fā)生爆炸并留下了中子星或者黑洞。而小于8倍太陽質(zhì)量的恒星不斷燃燒，留下了致密的灰核也就是白矮星，這些殘余物從伴星拉取燃料直至引發(fā)熱核爆炸。

一種新類型的超新星爆炸

圖注：超漸近巨支恒星(左)和它由氧(O)，氖(Ne)和鎂(Mg)組成的內(nèi)核(右)。這些恒星的質(zhì)量約為太陽的8-10倍，可以發(fā)生所謂的電子捕獲超新星爆炸。 (圖片來源:S. Wilkinson; 拉斯維加斯山峰天文臺(tái))

8-10倍太陽質(zhì)量的恒星在理論上會(huì)以一種新類型發(fā)生爆炸。電子捕獲超新星處于其他兩類超新星的邊界上，在其核心由氧、氖和鎂組成時(shí)停止核聚變，它們的質(zhì)量不足以創(chuàng)造鐵，其內(nèi)部的巨大壓力促使氧-氖-鎂核心中的一些電子被砸進(jìn)它們的原子核中，電子間存在排斥力，移除后可以使恒星內(nèi)壓下降，在其自身的重量下彎曲并崩潰，恒星的核心隨之坍縮，引發(fā)了周圍層的爆炸，留下了一顆略大于太陽質(zhì)量的中子星。

1980年，東京大學(xué)的天體物理學(xué)家野本健一和他的同事首次提出了這種“電子捕獲”超新星的理論。在過去的幾十年里，科學(xué)家們對(duì)電子捕獲超新星及前身星中該探究什么進(jìn)行了預(yù)測(cè)，但他們從未證實(shí)過一顆恒星會(huì)以這種方式爆炸。

值得注意的是電子捕獲超新星或許可以解決一個(gè)一千年謎題—在公元1054年發(fā)生了超新星爆炸，中國(guó)和日本史書都有相關(guān)記錄，爆炸照亮了天空，持續(xù)23天白晝可見，兩年夜晚可見。此前研究雖已將SN 1054定義為電子捕獲超新星，但奈何它發(fā)生在一千年前，有著極大的不可知性，但現(xiàn)在我們可以證實(shí)蟹狀星云就從它的遺骸中誕生了。

圖注：令人嘆為觀止的蟹狀星云

“超新星SN1054爆炸是一個(gè)壯觀的場(chǎng)面，是被全人類共同目睹的，并將觀測(cè)記錄留給了一千年后的我們。” 該研究的合著者、來自加州大學(xué)圣巴巴拉分校、拉斯康布雷斯天文臺(tái)的天體物理學(xué)家安迪·豪厄爾說。

現(xiàn)在，2018年首次探測(cè)到的爆炸恒星可能是電子捕獲超新星的第一個(gè)強(qiáng)有力的例子。“這對(duì)于我們理解恒星演化和超新星物理特性具有里程碑意義，我們可以推測(cè)哪些恒星會(huì)發(fā)生爆炸而哪些不會(huì)?！?該研究的主要作者、加州大學(xué)圣巴巴拉分校和拉斯康布雷斯天文臺(tái)的天體物理學(xué)家平松大一告訴Space.com。

令人難以捉摸的超新星被發(fā)現(xiàn)

圖注：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡合成的蟹狀星云，該星云是1054年發(fā)現(xiàn)的一顆明亮超新星的遺跡。 (圖片來源:NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF和G. Dubner(布宜諾斯艾利斯大學(xué)))

2018年3月日本的天文愛好者板垣公一在爆炸發(fā)生三小時(shí)后觀測(cè)到了SN 2018zd。在這顆超新星被發(fā)現(xiàn)后不久，研究的合著者、帕薩迪納加州理工學(xué)院的高級(jí)研究科學(xué)家斯凱勒·范·戴克，獲得了哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的超新星圖像。通過比較哈勃望遠(yuǎn)鏡此前存檔的該區(qū)域圖像，辨認(rèn)出了該星的前身星處在離地球3100萬光年的NGC 2146星系。識(shí)別了SN 2018zd的前身星身份有助于科學(xué)家們將這顆恒星和超新星爆炸，與幾十年來總結(jié)的電子捕獲超新星模型做對(duì)比。

“我非常激動(dòng)電子捕獲超新星終于被發(fā)現(xiàn)了，我和我的同事們此前就預(yù)測(cè)了它的存在，” 目前這項(xiàng)研究的合著者之一野本在聲明中說，“這是觀測(cè)與理論結(jié)合的最精彩的實(shí)例！”

基于野本和其他天文學(xué)家的模型，電子捕獲超新星的前身星主要有六個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)：

1.具有八到十倍的太陽質(zhì)量，候選恒星包括超漸進(jìn)巨支恒星—古老的膨脹紅巨星。

2.在爆炸前失去大部分質(zhì)量

3.噴射出的物質(zhì)大部分以氦、碳、氮元素存在，僅有少部分氧元素。“這與恒星生命周期的復(fù)雜核聚變反應(yīng)息息相關(guān)，以及恒星外層擾動(dòng)有關(guān)—恒星深處的元素被攪動(dòng)到表層”，豪厄爾說到，“在爆炸前的外層結(jié)構(gòu)是輕元素在重元素外側(cè)，最重的氧元素在深層?！?/p>

4.爆炸強(qiáng)度較其他兩種超新星弱，噴射氣體的動(dòng)能是其他超新星爆炸的十分之一

5.具有較少的放射性余波。以超新星爆炸中的主要放射性元素鎳為例，電子捕獲超新星產(chǎn)生的鎳元素只有常規(guī)鐵核坍縮的十分之一，熱核超新星的百分之一。

6.前身星在內(nèi)核中含有大量富中子元素。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)SN 2018zd和它的前身星同這一假定吻合。該前身星之前是古老的膨脹紅巨星，在爆炸前減掉了大部分質(zhì)量，環(huán)繞氣體與預(yù)測(cè)組分一致，爆炸威力較弱，產(chǎn)生了較少的放射性鎳，同時(shí)內(nèi)核中含有大量像鎳一般的富中子元素。

這是其他候選電子捕獲超新星未具備的關(guān)鍵部分之一——它們從未有過一顆可行的、經(jīng)鑒定的前身星，”菲利彭科在一份聲明中說。

研究人員已經(jīng)查閱了所有發(fā)布的超新星數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一些超新星具備了上述的部分指標(biāo)，但僅有SN 2018zd的前身星具備全部指標(biāo)。

“我們開始想‘為什么這么奇怪呢？’”，平松在一份聲明中說，“我們分析了SN 2018zd的每一個(gè)方面，并意識(shí)到所有這些都可以用電子捕獲方案來解釋?！?/p>

新發(fā)現(xiàn)表明SN 2018zd與SN 1054相似，特別是在長(zhǎng)輝光方面。增加了中世紀(jì)發(fā)生的實(shí)際是電子捕獲超新星爆炸的論證。

電子捕獲超新星解釋

電子捕獲超新星通常具有長(zhǎng)余輝，因?yàn)榍吧硇窃诒ㄇ笆チ舜蟛糠仲|(zhì)量，噴射出的氣體與早前射出的物質(zhì)相碰撞，發(fā)出輝光。因?yàn)闆]有更多的放射性鎳產(chǎn)生，電子捕獲超新星在為期幾個(gè)月的停滯期后快速黯淡下來。所以它們最初比標(biāo)準(zhǔn)的核坍縮超新星明亮，但幾個(gè)月后亮度不及其他超新星。

“后一個(gè)方面是四十年前對(duì)蟹狀超新星進(jìn)行初步分析時(shí)沒有考慮到的，”菲利彭科說，“我們的工作為蟹狀星云由電子捕獲超新星產(chǎn)生的想法提供了更進(jìn)一步、更令人信服的支撐?！备玫睦碚撃Ｐ腿孕柰晟苼斫忉岆娮硬东@超新星如何起源和進(jìn)化的。

“現(xiàn)存的一個(gè)問題是，由于物理過程復(fù)雜，理論模型是不確定的”，豪厄爾說到。他作為全球超新星工程的領(lǐng)導(dǎo)人，集合了各國(guó)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用地球內(nèi)及太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)超新星。“這一將提供急需的可觀測(cè)性指導(dǎo)解釋自然中的解決方案”，他進(jìn)一步解釋道。

目前對(duì)于夜空的大規(guī)模觀測(cè)可以捕捉到更多電子捕獲超新星的實(shí)例，菲利彭科說到。

“天文學(xué)家也應(yīng)該重新評(píng)估更老的超新星，研究他們是否來源于電子捕獲現(xiàn)象”，豪厄爾補(bǔ)充道，“許多超新星也表現(xiàn)出了SN 2018zd 的一些特征，但是不夠明顯，是時(shí)候再回頭重新審視以前的觀測(cè)數(shù)據(jù)了。”

總的來說，上述研究工作能更好地了解我們世界和我們自身的誕生過程。“試想一下，你身體質(zhì)量72%的物質(zhì)組成產(chǎn)生于超新星爆炸中”，豪厄爾說到，“理解超新星是如何制造和噴射元素到宇宙中確實(shí)有助于我們了解自己”。

相關(guān)知識(shí)

蟹狀星云（Crab Nebula， 編號(hào)M1、NGC 1952或金牛座 A）是首顆被確認(rèn)為歷史上超新星爆發(fā)遺跡的天體。它是銀河系英仙臂的一部分，距地球約6,500光年（2,000秒差距），直徑達(dá)11光年，并以每秒約1,500公里的速度膨脹。該星云由約翰·貝維斯于1731年發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)中國(guó)、阿拉伯和日本天文學(xué)家于公元1054年記錄的一次超新星爆發(fā)（編號(hào)SN 1054，中國(guó)稱天關(guān)客星）。1969年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星云的中心是一顆脈沖星，直徑約28–30公里，每秒自轉(zhuǎn)30.2次，并發(fā)射出從γ射線到無線電波的寬頻率范圍電磁波。

BY:Charles Q. Choi

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