天文學家終於發現爆炸後啥都不剩的超新星

作者 | 發布日期 2019 年 09 月 14 日 0:00 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


早期宇宙有上百倍太陽質量的恆星相當普遍,它們可能與現今恆星的形成途徑不同,甚至可能死亡途徑也不同。超新星爆炸後,原來恆星的核心可能會遺留形成中子星或黑洞等緻密天體,爆炸時向外拋出的物質則形成超新星殘骸,成為新一代恆星的製作材料。

理論上,還有一種結局是整個星體都摧毀,沒有殘留任何東西。前兩者已有實證,最後一種卻一直沒發現,現在終於有實槌了。哈佛史密松恩天文物理中心(Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian)Sebastian Gomez 與團隊發現,SN 2016iet 就是第一例炸到啥都不剩的超新星爆炸,並認為它是第一個確認為所謂「不穩定對超新星」(pair instability supernova)案例。

當一顆恆星的質量是太陽數十倍,理論上當它生命終結,發生超新星爆炸時,核心會加熱到能形成「電子」(electron,或稱負電子)和反物質「正電子」(positron,或稱正子)的程度。不像中子星的中子,當正負電子對相遇時會互滅,不再能支撐核心抵抗重力,使恆星持續塌縮,卻又在收縮成奇異點形成黑洞之前,驟然點燃熱核反應,但這熱核反應最後失去控制,導致整個恆星爆炸,這就是所謂的「不穩定對超新星」。

這種超新星一直只是理論。天文學家之前曾觀測到幾名「候選者」,如 2007bi 和 ASASSN-151h,但天文學家無法收集到足夠的恆星爆炸前質量和其他性質訊息,無法實證。

SN 2016iet 不一樣。天文學家用自動搜尋系統從蓋亞影像發現這顆超新星,卡塔利納即時瞬變事件巡天(Catalina Real-Time Transient Survey)和泛星瞬變事件巡天(Pan-STARRS Survey for Transients)也分別在 2017 年 1 月和 3 月拍到這顆超新星。這些觀測證明,超新星爆炸後沒有遺留任何殘骸。這些觀測也顯示爆炸恆星隸屬一個矮星系,但是沒有伴星的單星,離宿主星系約 54,000 光年遠,比銀河系邊緣到銀河系中心的距離還遠。之後數年,天文學家利用智利的麥哲倫巴德 6.5 公尺望遠鏡(Magellan Baade Telescope)和其他地面望遠鏡,追蹤觀測 SN 2016iet 的光譜,觀察它的變化。

▲ 2014 年 9 月和 2018 年 7 月觀測的 SN 2016iet 超新星及所在宿主星系的影像。2014 年影像可見圈起位置尚未出現星體跡象。右圖為麥哲倫望遠鏡拍攝的影像。

初始光譜觀測顯示沒有氫氣,所以天文學家歸類為 I 型超新星。他們也測量了距離,顯示它的光走了將近 10 億光年才抵達地球。但這天體的性質並不符合任何其他歸屬特性,事實上,它和目前任何已知的超新星都沒有相似之處。天文學家首先懷疑是不是自己搞錯了。

後來他們利用數座地面望遠鏡拍攝影像,追蹤超新星亮度逐漸變暗的狀況。光變曲線可用來測試各種解釋爆炸理論的正確性。研究結果認為這個天體爆炸前約 55~120 倍太陽質量,甚至可能達 200 倍太陽質量。雖然在它短短數十載的生命裡可能已喪失部分外層大氣物質,但將物質拋向太空的速率高達每年 3 倍太陽質量。

更甚者,爆炸的恆星周遭環境比氫和氦重的重元素非常稀少,換言之,它的金屬豐度很低,意味著這顆星出生和死亡都是在一個自大霹靂後改變不多、仍保持非常原始狀態的區域。如此一來,無論它的質量還是所處環境,SN 2016iet 都非常類似宇宙第一代恆星,而這正是不穩定對超新星的最佳候選者。

但與其他第一代恆星不同的是:天文學家還有機會測量它爆炸前的恆星質量和金屬豐度,並由此檢視是否與理論預期相符。關於不穩定對超新星的概念已提出數十年,但 SN 2016iet 是第一個提供觀測證據的天體,使天文學家在這研究領域前進了一大步,讓 Gomez 與團隊興奮不已。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖為藝術家繪製的 SN 2016iet,圖片來源:哈佛史密松恩天文物理中心