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“死而复生”的超新星,或改写恒星演化历程

2018年09月03日 天文物理 ⁄ 共 4393字 ⁄ 字号 暂无评论

天文学家发现一颗曾被认为是普通超新星的天体,在爆炸四个月后又重新变亮了!

“死而复生”的超新星,或改写恒星演化历程 

 

2014年9月,天文学家们在观测五亿光年外的一个小星系时,发现了一个暗淡的光点。它看起来就是个再普通不过的超新星——死亡的恒星剧烈爆炸,发出强烈的光。但在2015年1月,一位本科生却看到了不同寻常的现象。Zheng Wong在加利福尼亚州Las Cumbres天文台实习时发现,这个小光点又开始变得越来越亮了。

 

当他把这一反常的变化展示给他的导师,天文学家Lair Arcavi看时,“他惊讶地瞪大了双眼。”Wong回忆道。Arcavi很快说服了自己,并表示这个编号iPTF14hls的光源一定不是个超新星,而是一颗附近的变星,正巧叠加在这个遥远的星系上。Wong说,“他当时是那么确定,我甚至愿意赌上我的汽车,那是一颗变星。”不过他仍然帮助Wong测量了iPTF14hls光源的光谱,测量它的颜色以便确认它的化学成分。让他们吃惊的是,测量得到的光谱正是来自一个II-P型超新星——这也是最为常见、我们了解最充分的一种超新星。当一个II-P型超新星爆炸时,它的亮度升高并稳定(plateaus)100天左右(这也是型号里字母P的由来),然后降低直到结束。“我们从未见过一个亮度降低后再次升高的超新星,”Arcavi和52位合作者们在发表于《自然》杂志的论文里写道,“正是这时,我们才意识到我们观测到了很不寻常的东西。”

 

从那时开始,Las Cumbres天文台的全球望远镜网络都保持着对iPTF14hls的全天候观测。科学家们发现了关于这个超新星另一个奇怪现象:测量到的爆炸物喷射速度保持在很高的水平,而通常随着超新星内部速度较慢的物质溢出,测量到的爆炸物速度会降低。2015年5月16日,在发现该超新星超过250天后,Arcavi在iPTF14hls的记录日志里写道:“这真是一个疯狂的超新星,可惜它很快就要转到太阳背面了。”

 

科学家理所当然地认为它将一去不复返,然而当9月来临时,iPTF14hls又一次从太阳后面转了出来,闪烁依旧。事实上,它的亮度比以前又升高了。

 

Las Cumbres 观测团队的一员,同时也是以色列魏兹曼科学研究所的天文学家的Ofer Yaron记录道:“有人在天上捉弄我们。”

 

“死而复生”的超新星,或改写恒星演化历程 

这颗神秘星体的光变曲线

 

不断被推翻的假设

 

Las Cumbres团队原本计划在三年间追踪观测500个超新星,这是天文学家们编写恒星死亡分类任务中一环。加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的理论天文学家Stan Woosley告诉我们,这个任务的目标是“合成不同质量、金属丰度和旋转速度的恒星死亡时的照片”。众多与我们的太阳类似的普通恒星每天都在宇宙中生死往复,这无关紧要,但巨型恒星——那些死亡时会变成超新星的星体——则是宇宙的引擎,为新生的恒星提供原料。

 

这些质量在太阳8倍至几百倍的稀有恒星爆炸时,会制造出金属(对于天文学家们来说,金属是所有比氢和氦要重的元素的统称),接着把这些物质撒向周边的星系,孕育下一代更加富含金属物质的恒星。与此同时,它们的核也能坍塌成黑洞、超密度的中子星、拥有磁场的中子星(磁星),或者是旋转的磁星(脉冲星)。但除此之外,这些巨型恒星还有我们尚不了解的结局吗?洞悉天体的所有可能性是理解星体演化中不可或缺的一步。然而,Las Cumbres天文台近期的发现告诉我们,恒星可能还有很多我们不知道的死亡方法。

 

在接下来的两年,天文学家一边静静地监控着iPTF14hls,一边与理论物理学家一起讨论着这个奇怪的发现,希望有人能提出可以解释这一现象的理论。几个猜想随之诞生——或许,在超新星爆炸的过程中诞生了一个磁星,而磁星释放的伽马射线暴是高亮度的来源;又或许,一个新形成的黑洞在吞噬着它周围的恒星物质。但迄今为止,没有一个猜想能完全解释观测到的现象。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的天文学家,同时也是Las Cumbres 超新星团队的领导者Andy Howell说道:“每个理论都能解释一部分现象,但又存有问题,接着另一个理论能解释上一个残留的问题,但本身又带来了新的问题——没人真的知道到底是怎么回事。”

 

理论学家知道,巨型恒星通常在内部核燃料耗尽后转变为超新星。向外的辐射压降低,导致内核在引力作用下崩塌(形成黑洞或中子星),而内部收缩产生向外的冲击波,让恒星外壳物质以及耀眼的辐射冲向宇宙。对于II-P型超新星来说,前身星的外层有充足的氢,它们被超新星的冲击波电离化之后变成不透明体。在去离子化的过程中,它稳定地释放出光,导致我们观测到的100天稳定亮度。在我们测量到的iPTF14hls光谱里,氢和铁的含量符合标准的II-P,但“正常II-P在30天的亮度,和iPTF14hls的300天看起来差不多,”Howell说道。它的前身星肯定非比寻常的巨大,带着前所未有的氢含量,才能持续数百天发光,但这依然不能为它神秘的亮度变化做出解释,还有爆炸物居高不下的速度。不管它是个什么,它的光谱都看起来和II-P一模一样,但除此之外各方面的表现都迥然不同。

 

黑洞“质量间隙”现身?

 

2016年9月,Howell在德国加尔兴一场超新星会议上展示了Las Cumbres天文台的发现,而听众里包括中期帕洛玛暂现天体巡天项目(Intermediate Palomar Transient Factory)里最初发现iPTF14hls的天文学家Peter Nugent。当Nugent和其他超新星研究者们一起讨论关于iPTF14hls的细节时,他们想到了Woosley提出的一个理论。Woosley认为,最初质量在70到140个太阳质量的恒星,由于一种宏观上的量子现象,会经历阶段性的爆炸,叫做“脉动对不稳定性超新星”(PPISN)。根据计算,这些巨大的恒星温度过高,它们的辐射自然转换成电子-正电子对,而不需要经历内核坍塌。当光转化为物质时,辐射压力消失,恒星瞬间收缩;而当收缩点燃恒星外层的燃料时,收缩反转,恒星爆炸。之后它继续在收缩、爆炸间往复。

 

虽然在过去我们从未观测到PPISN的存在,但理论学家们坚信,它会以多种不同的形式出现,只有一个特征不变:那就是这颗恒星会不规律地在几天、几个月、几十年甚至成百上千年的时间里爆发。直到它们的内核缩小到了不再出现量子对不稳定性的时候,它们才能终于坍塌成为黑洞。如果Woosley的理论正确,在某个特定质量范围内应该不存在黑洞,因为在那个范围内的恒星都会通过脉动对不稳定性而爆发缩小。天文学家们正在通过LIGO寻找这个黑洞的“质量空隙”。PPISN在每次先行爆炸期间,都会释放几倍太阳质量的物质,在恒星周围形成云状碎片团,看起来就像小型超新星一样。当这些释放出来的外壳碎片撞在一起时,爆炸的亮光在我们看来忽明忽暗,这就解释了我们观测到的iPTF14hls标志性的闪光。

 

在加尔兴,Nugent查看了iPTF14hls前身星的爆炸记录。他从帕洛玛光学巡天项目数字化并上传的老照片库里寻找着蛛丝马迹。他先找了1993年的记录,但并没有iPTF14hls的身影。但当他继续找向更早的1954年记录时,奇迹出现了:一个小光点出现在了iPTF14hls现在所在的位置。超新星是很罕见的,同一个小星系在几十年内有两个不同的大质量恒星爆发的概率很小。虽然现在还很难计算统计显著性,但Nugent说:“你的眼睛不会撒谎。你看到这个图片,就会说:‘这看起来完全吻合。’”。

 

“死而复生”的超新星,或改写恒星演化历程 

1954年、1993年与今天对同一片区域的观测,可以看到由亮变暗再变亮的变化

 

反复的爆炸似乎预示着iPTF14hls是一个脉动对不稳定性超新星,一种由爱因斯坦E=mc2得来的量子自然转化结果:能量转为质量,再转化回去。如果这是真的,这次发现将证实PPISN这个大胆的假设,并在恒星死亡类别系统里加上浓墨重彩的一笔。尽管Arcavi、Howell和他们在Las Cumbres的同事们在论文里将把PPISN理论写作首要解释,这个理论也有它的缺陷。“我们在《自然》发表的论文里提到的解释行不通,”Arcavi在提及现在的PPISN理论时说,“所以我们仍然不知道最终的答案。”

 

仍需改善

 

其中一个问题是,iPTF14hls已知的爆炸中释放的能量,已经超过了Woosley预测中对不稳定性机制能释放的能量上限了,更何况以前还有更多次爆炸。这一理论同样不能解释现在这个奇怪超新星光谱里的氢含量,早期爆炸本应把大量的恒星氢包层吹向太空的。更别提氢离奇的高速移动了,看起来这与亮度的改变没有相关性。而Woosley则表示,他有个想法,成型后能解释现在对氢的观测。

 

PPISN理论现在并不完美,但这或许只是说明,科学家们需要改善这个理论。不同恒星个体之间差异巨大,对建模和预测的计算要求非常大。通常理论学家们只能在电脑上模拟恒星的二维切片,再小心地把结果推测到三维世界里。他们或许低估了PPISN的能量。

 

iPTF14hls的位置在一个“矮”星系里,这也为PPISN理论提供了线索:这些星系里的元素大多是氢气和氦气,很少有被称作“金属“的重元素。矮星系里的大量新鲜原料为巨型恒星的形成提供了基础,就像肥沃土壤里的大南瓜。恒星们能达到脉冲性不稳定对死亡所要求的质量。研究者们指出,就算这个超长超新星不是PPISN而是其他未知的东西,在几十亿年前,众多星系还不像现在这样富含金属,而是充满氢气时,这样的天体会更多。Howell说,“或许在早期宇宙,这种现象是很常见的,但现在它已经很稀少了。所以对我们来说,这就像发现了恐龙一样。

 

新型超新星?

 

在我们发现并描述了iPTF14hls之后,或许类似的天体会被陆续发现。它们的特征将渐渐形成一个新的超新星类别,无论它们是PPISN还是其他东西。或许在不久的将来,Las Cumbres的全球监测望远镜系统可以为我们带来更多惊喜。

 

iPTF14hls并不是近年来发现的唯一一个奇怪的超新星。天文学家们还发现了超大亮度的极亮超新星,而它们的起源也是未知的。“它们中很多都有超高亮度——比普通超新星亮100倍。所以它们不只是旧理论里偶有的异类,它们很疯狂。”

 

iPTF14hls在发现后的一千天终于变暗了。它的光减弱到了它最亮时的二十分之一。但科学家们说当它的冲击波膨胀并撞上它以往爆炸时喷出的物质时,它也可能重新亮起来。“它上次爆发就是我们在1954年看到的现象——再过20年,这次的冲击波可能会再次撞上那时爆炸形成的壳。”Nugent说。

 

撰文 Natalie Wolchover

翻译 张清越

审校 吴非 韩晶晶

 

原文链接:

https://www.quantamagazine.org/crazy-supernova-looks-like-a-new-kind-of-star-death-20171108/


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