蟹狀星云。圖片來源：NASA

美國加州大學圣塔芭芭拉分校拉斯坎布雷斯天文臺科學家領(lǐng)導的一個全球團隊，發(fā)現(xiàn)了第一個令人信服的證據(jù)，證明了一種新型的恒星爆炸——電子捕獲超新星。

盡管這一理論已被提出40年，但現(xiàn)實世界中卻一直難以找到相應的案例。它們被認為是由大質(zhì)量超漸近巨分支（SAGB）恒星的爆炸產(chǎn)生的，對此也缺乏證據(jù)。這一發(fā)表在《自然—天文學》雜志的發(fā)現(xiàn)，也為公元1054年超新星爆發(fā)的千年之謎提供了新解釋。

歷史上，超新星主要分為兩類：熱核坍縮和鐵核坍縮。

熱核超新星是一顆白矮星在雙星系統(tǒng)中獲得物質(zhì)后發(fā)生的爆炸。這些白矮星是低質(zhì)量恒星（質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的8倍）生命結(jié)束后遺留下來的稠密的火山灰核。當一顆大質(zhì)量的恒星（約是太陽質(zhì)量的10倍）耗盡核燃料，其鐵核坍縮，產(chǎn)生黑洞或中子星時，就會出現(xiàn)鐵核坍縮超新星。

介于這兩種主要超新星之間的是電子捕獲型超新星。當這些恒星的核心由氧、氖和鎂構(gòu)成時，它們就會停止聚變；其質(zhì)量不足以產(chǎn)生鐵核坍縮。

雖然引力總是試圖壓碎一顆恒星，但阻止大多數(shù)恒星坍縮的原因，要么是正在進行的核聚變，要么是核聚變已經(jīng)停止的核心，即原子無法壓縮得更緊。在一個電子捕獲超新星中，氧-氖-鎂核中的一些電子被撞到它們的原子核中，這個過程叫做電子捕獲。這種電子的移除導致恒星的核心在自身重量的作用下彎曲和坍塌，形成了一種電子捕獲超新星。

如果這顆恒星稍微重一些，其核心元素就會融合產(chǎn)生更重的元素，從而延長它的壽命。因此，這是一種與“金發(fā)姑娘效應”（意指剛剛好）情況相反的情況：恒星不夠輕，無法逃脫其核心的坍縮；也不夠重，無法通過不同的方式延長其生命并在之后死亡。

這是1980年由東京大學的Kenichi Nomoto等提出的理論。在過去的幾十年里，理論學者已經(jīng)制定了關(guān)于在電子捕獲超新星和它們的SAGB恒星前身中尋找什么的預測。恒星應該有很多質(zhì)量，在爆炸前失去了很多，而瀕死恒星附近的質(zhì)量應該是一種不尋常的化學成分。那么電子捕獲超新星應該很弱，有很少的放射性沉降物，并且在核心有富含中子的元素。

這項新研究是由加州大學圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文臺的博士Daichi Hiramatsu帶隊。他是全球超新星項目（GSP）的核心成員，這是一個由全球科學家組成的團隊，他們在全球范圍內(nèi)使用數(shù)十個望遠鏡。研究小組發(fā)現(xiàn)，超新星SN 2018zd有許多不尋常的特征，其中一些特征是首次發(fā)現(xiàn)的。

這顆超新星相對較近，在ngc2146星系中，距離地球只有3100萬光年，這對它的生存有利。這使得研究小組能夠檢查哈勃太空望遠鏡在其爆炸前拍攝的檔案圖像，探測其潛在的前身星。這些觀測結(jié)果與最近在銀河系中發(fā)現(xiàn)的另一顆SAGB恒星一致，但與紅超巨星的模型不一致，紅超巨星是普通鐵核坍縮超新星的前身。

作者瀏覽了所有發(fā)表的關(guān)于超新星的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雖然有些擁有一些預測電子捕獲超新星的指標，但只有SN 2018zd擁有所有這六種指標：一個明顯的SAGB前身星、強大的超新星前質(zhì)量損失、不尋常的恒星化學成分、微弱的爆炸、很少的放射性和一個富中子的核心。

“我們一開始問‘這個怪家伙是什么？’”Hiramatsu說，“然后我們研究了SN 2018zd的各個方面，意識到這些可以在電子捕獲場景中得到解釋?！?/p>

這些新發(fā)現(xiàn)也揭示了過去最著名的超新星的一些奧秘。公元1054年，銀河系發(fā)生了一顆超新星，根據(jù)中國和日本的記錄，它非常明亮，白天23天內(nèi)都可以看到，晚上近兩年內(nèi)可以觀測到。由此形成的蟹狀星云已得到詳細研究。

蟹狀星云以前是一顆能捕獲電子的超新星的最佳候選天體，但它的狀態(tài)并不確定，部分原因是這次爆炸發(fā)生在近一千年前。新結(jié)果增加了歷史上的SN 1054是一顆電子捕獲超新星的信心。這也解釋了為什么這顆超新星比模型中要亮：其亮度可能是因為超新星噴出物與SN 2018zd中所看到的原始恒星釋放的物質(zhì)發(fā)生碰撞而增強的。

東京大學的Ken Nomoto對其理論被證實感到興奮。“我很高興這個電子捕獲超新星終于被發(fā)現(xiàn)了，它與40年前的蟹狀星云有關(guān)。”他說，“我非常感謝為獲得這些觀測所付出的巨大努力。這是觀察和理論結(jié)合的一個極好的例子。”

“對我們所有人來說，這是一個‘頓悟的時刻’，我們結(jié)束40年的理論爭議做出了貢獻。”Hiramatsu補充說。

相關(guān)文章鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41550-021-01384-2


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關(guān)科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情