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绚烂的超新星爆发背后,可能是一颗“消化不良”的中子星
2022-08-12

超新星爆炸是如何造出宇宙万物元素的?

宇宙中数量颇为可观的恒星都处在双星系统中,而这两颗恒星的寿命却不一定相同。当一颗恒星死亡产生中子星后,如果引力将它拉向同伴的核心,它就会将伴星的核心吞噬。在吞噬伴星核心时,中子星可能会出现“消化不良”的情况,引发超新星爆炸。而最近,天文学家终于发现了这种只存在于理论中的超新星。

撰文 | John Timmer

翻译 | 曾欣欣

审校 | 王昱

宇宙中最奇怪的天体之一是“双核恒星”。许多恒星作为多体系统的一部分而存在,在某些情况下,它们的轨道非常接近。再加上恒星会随着年龄的增长而膨胀,一颗恒星的外缘可能会吞没另一颗恒星。摩擦可以将恒星的轨道拉得更近,导致两颗恒星的核心都在一个巨大的、共享的等离子体包络内运行。

当你考虑到恒星的生命周期不一定会严格同步时,事情会变得更加复杂——其中一颗恒星很容易在另一颗的生命周期结束前爆炸,留下一个黑洞或中子星。这可能会导致一些奇怪的情况,比如一颗恒星用中子星取代了它的核心。

现在,研究人员表示,他们可能已经找到了一种更激进的替代理论。在这种情况下,中子星并没有完全进入其伴星的核心。相反,这颗伴星的外层消失于太空中,它的核心以超新星爆炸的方式被摧毁。

新机制

该天体的名称为VT J121001+495647,得出这一结论的团队对两次不同的射电巡天观测进行了对比。他们寻找的是特定区域中,在2017-2018年巡天时存在,而在1994年至2005年巡天时不存在的天体。这些天体中最亮的是VT J121001+495647。

探测表明,该天体的氢发射线不是一个尖锐的峰,它非常宽。这告诉我们VT J121001+495647含有多种成分。一些正在向远离我们的方向移动,所以它产生的光发生了红移;其他的朝向我们移动,发生蓝移。对这种现象最简单的解释是,VT J121001+495647是一颗爆炸恒星的碎片,向四面八方延展。

更准确地说,我们看到的是超新星碎片在与超新星爆发之前恒星喷射出来的物质相撞。但研究人员计算出,早期抛射的总质量至少得与太阳的质量相同——这些物质质量巨大,甚至无法用太阳风之类的过程来解释。所以这些物质一定是最近才被喷射出来的,因为超新星的碎片已经撞击到它了。

使问题更为复杂的是,该团队在档案中搜索到了一桩在同一地点发生的不寻常事件:国际空间站上的一个仪器捕捉到的X射线爆发。与其他X射线爆发相比,这一事件是异常的,因为它非常明亮但却短暂,而且没有延伸到更高的能量量级上。

这次爆炸发生在VT J121001+495647被观测到的三年前,所以它可能是超新星本身造成的。但爆炸的持续时间、能量与我们通常看到的中子星或黑洞形成的情况不相符。

让真相水落石出

纵观所有数据,我们有证据表明,这颗恒星在爆炸前几年喷发了大量物质,这次爆发的时间可能与X射线爆发有关。有几种方法可以解释这一现象,但大多数方法似乎都与数据不太相符。例如,恒星核心核聚变反应的不稳定性可能导致爆发,但它们的大小仅足以在爆炸前的最后几年“吐出”一个太阳质量左右的物质。如果发生了这种情况,这些物质仍然会比实际更接近恒星所在的位置。

与伴星的相互作用可能会产生一个材料密度和距离都合适的外壳。但它们发生在恒星爆炸附近的几率非常小。

因此,研究人员提出了一种替代方案:物质的喷射确实是通过与伴星的相互作用而产生的,而这种相互作用正是引发超新星爆发的原因。

VT J121001+495647对应体在18世纪的状态(左上);从18世纪到2014年的状态(右上);2014年的状态(左下);2017年至今的状态(右下)。图片来源:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

这一观点背后的理论思想在过去十年间发表的一系列论文中得到了解释。如果伴星已经爆炸,那么它将以中子星或黑洞的形式存在。如果这个天体最终进入了正常恒星的外层,它会形成一个吸积盘和喷流,这将导致恒星外层大量物质喷发出来,形成能够产生无线电信号的物质。

然而,如果该伴星离恒星的核心足够近,它可能会通过潮汐相互作用扰乱恒星的核心。这又是一个问题,因为核心中元素有序的核聚变提供了对抗恒星引力所需的能量,否则恒星核心就会塌缩。如果核心受到干扰,整个恒星核心就会轰然坍塌,产生超新星。在这个过程中,坠落的伴星可能短暂地形成了吸积盘和喷流,这就解释了在档案中发现的X射线爆发。

无论如何,这颗恒星的质量一定足够在某个点爆炸,但分裂加速了这一过程。

我们以前见过的其他一些奇怪的天体可能也是由类似的机制创建的。不幸的是,我们没有VT J121001+495647那样丰富的数据,因此无法精确地确定事件的时间。如果科学家借助这个模型识别出了其他天体,你也千万不要惊讶。