电子俘获超新星？揭开了中世纪的神秘面纱
由加州大学圣巴巴拉
【菜科解读】
由加州大学圣巴巴拉分校的天文学家领导的一个团队证实了一种难以捉摸的新型超新星的存在。
由加州大学圣巴巴拉分校 Las Cumbres 天文台的科学家领导的一个全球团队发现了第一个令人信服的证据，证明了一种新型恒星爆炸——电子捕获超新星。
虽然它们已经被理论化了 40 年，但现实世界的例子一直难以捉摸。
它们被认为是由大质量超渐近巨星分支 （SAGB） 恒星的爆炸产生的，对此也缺乏证据。
发表在《自然天文学》杂志上的这一发现也揭示了公元 1054 年的超新星千年之谜，该超新星在白天在世界各地可见，最终成为蟹状星云。
从历史上看，超新星分为两种主要类型：热核坍塌和铁芯坍塌。
热核超新星是白矮星在双星系统中获得物质后的爆炸。
这些白矮星是一颗低质量恒星（大约是太阳质量的 8 倍）生命尽头后留下的致密灰烬核心。
当一颗质量超过太阳 10 倍的大质量恒星耗尽核燃料，其铁核坍塌，形成黑洞或中子星时，就会发生铁核坍缩超新星。
在这两种主要类型的超新星之间是电子俘获超新星。
当这些恒星的核心由氧、氖和镁组成时，它们就会停止聚变；它们的质量不足以制造铁。
虽然引力总是试图压碎一颗恒星，但阻止大多数恒星坍缩的原因要么是持续的聚变，要么是在核聚变停止的核心中，你无法将原子压得更紧。
在电子俘获超新星中，氧-氖-镁核心中的一些电子在称为电子俘获的过程中撞击到它们的原子核中。
这种电子的去除导致恒星的核心在其自身重量的作用下弯曲并坍塌，从而产生电子俘获超新星。
如果这颗恒星稍微重一点，核心元素可能会融合产生更重的元素，延长它的寿命。
所以这是一种相反的金发姑娘情况:恒星不够轻，无法逃脱其核心的坍塌，也不够重，无法延长其寿命，稍后通过不同的方式死亡。
这是东京大学的野本健一等人于 1980 年提出的理论。
几十年来，理论家们已经对在电子捕获超新星及其 SAGB 恒星祖先中寻找什么进行了预测。
恒星应该有很大的质量，在爆炸前会损失很多，而靠近垂死恒星的质量应该具有不寻常的化学成分。
那么电子俘获超新星应该是微弱的，几乎没有放射性沉降物，并且核心中含有富含中子的元素。
这项新研究由加州大学圣巴巴拉分校和拉斯库布雷斯天文台 （LCO） 的研究生 Daichi Hiramatsu 领导。
平松是全球超新星计划的核心成员，该计划是一个全球科学家团队，在全球各地和上方使用数十台望远镜。
研究小组发现超新星 SN 2018zd 具有许多不寻常的特征，其中一些特征是首次在超新星中发现。
这有助于超新星在星系 NGC 2146 中相对较近——只有 3100 万光年远。
这使团队能够检查哈勃太空望远镜在爆炸前拍摄的档案图像，并在它之前探测到可能的前身恒星爆炸了。
这些观察结果与最近在银河系中发现的另一颗 SAGB 恒星一致，但与红超巨星模型不一致，红超巨星是正常铁核坍缩超新星的祖先。
作者浏览了所有已发表的超新星数据，发现虽然有些数据有一些预测电子捕获超新星的指标，但只有 SN 2018zd 拥有全部六个：明显的 SAGB 前身、强烈的前超新星质量损失、不寻常的恒星化学成分，爆炸微弱，放射性小，核心富含中子。
“我们先问这个怪人是什么？”平松说：“然后我们检查了SN 2018zd的每个方面，并意识到它们都可以在电子捕获场景中得到解释。
”
这些新发现还揭示了过去最著名的超新星的一些奥秘。
公元1054年，银河系发生了一颗超新星，据中国和日本的记载，它的亮度如此之高，白天可以看到23天，晚上可以看到近两年。
由此产生的残余物蟹状星云已经得到了非常详细的研究。
蟹状星云以前是电子捕获超新星的最佳候选者，但它的地位并不确定，部分原因是爆炸发生在近一千年前。
新结果增加了历史性的 SN 1054 是一颗电子捕获超新星的信心。
这也解释了为什么这颗超新星与模型相比相对明亮：它的光度可能是由超新星喷射物与前身星抛下的物质碰撞而人为增强的，如 SN 2018zd 中所见。
#p#分页标题#e#东京大学 Kavli IPMU 的 Ken Nomoto 对他的理论得到证实表示兴奋。
“我很高兴终于发现了电子捕获超新星，我和我的同事预测它存在并且与 40 年前的蟹状星云有联系。
”他说。
“我非常感谢为获得这些观察所做的巨大努力。
这是观察与理论相结合的绝妙案例。
”
Hiramatsu 补充说：“对我们所有人来说，这是一个‘尤里卡时刻’，我们可以为结束 40 年的理论循环做出贡献，而对我个人而言，因为我的天文学生涯开始于我看到令人惊叹的照片时高中图书馆里的宇宙，其中之一是哈勃太空望远镜拍摄的标志性蟹状星云。
”
“当我们发现一个新的天体物理物体时，罗塞塔石碑这个词经常被用作类比。
”拉斯坎布雷斯天文台的科学家兼 UCSB 的兼职教授安德鲁·豪厄尔说：“但在这种情况下，我认为它是合适的。
这颗超新星确实帮助我们解码了来自世界各地文化的千年记录。
它帮助我们将一个我们不完全了解的事物，蟹状星云，与我们拥有令人难以置信的现代记录的另一事物，这颗超新星联系起来。
在这个过程中，它教会了我们基础物理学知识：一些中子星是如何形成的，极端恒星如何生存和死亡，以及我们所构成的元素是如何被创造出来并散布在宇宙中的。
” Howell 还是全球超新星计划的负责人，也是主要作者 Hiramatsu 的博士顾问。
揭开第谷超新星爆发成因
但其实这并不是一颗“新星”，而是原本就存在在那里的一颗非常暗弱的星球突然爆发，亮度可以瞬间增加数千万倍。
这颗“新星”被命名为“第谷超新星”。
后来，美国宇航局钱德拉X射线空间望远镜观测到了当年那次超新星爆发留下的遗迹。
而现在，科学家们相信他们已经找到了第谷超新星形成的确切原因。
这张壮观的图像将可能为科学家们揭示这一历史悬疑提供关键证据。
科学家们相信这一个案例证明在双星系统中，一颗成员星发生超新星爆发时，另外一颗成员星可以不至于同时被摧毁。
美国麻省理工学院的丹尼尔·王(DanielWang)是这一课题的研究人员，他说：“看起来这颗成员星距离那次剧烈的爆发很近，但是却相对完好的幸存了下来。
不过当身边的伴星爆炸时，它可能还是受到了严重的冲击，加上它原先具有的轨道初速度，导致这颗恒星现在正以很高的速度穿行于空间之中。
” 第谷属于1a型超新星，这种超新星爆发由于亮度非常固定，很多时候在天文上会被用作“量天尺”，用以观测由于暗能量导致的宇宙加速膨胀。
最近，一组科学家在对钱德拉望远镜的数据进行分析之后发现，在第谷超新星遗迹中存在一个X射线弓形激波。
有证据显示，这种弓形激波是当一颗白矮星发生剧烈爆发，强大的冲击力剥离其附近伴星表面的物质进入太空而形成的。
另一位科学家，来自中国科学院的卢方军表示：“有关Ia型超新星爆发的起因一直是一个悬而未决的问题。
但由于它们是茫茫宇宙中的灯塔，我们必须搞清楚究竟是何种机制触发了这样的爆发现象。
” 目前有一种流行的理论，认为Ia超新星的发生时由于两颗白矮星的合并。
不过根据这种理论，那么不应该会有任何伴星或由于爆发而剥离伴星表面物质这样的现象发生。
还有另外一种流行的理论，认为Ia超新星的爆发是由于在双星系统中，一颗成员星是白矮星，它的强大引力从伴星身上夺取物质，导致自身的质量上升，直到重新点燃自己，引发剧烈的失控热核反应，将自己彻底炸毁。
其实这两种状况只要具备了合适的条件确实都可能发生，但是这一次钱德拉的观测看来更倾向于支持第二种说法。
另外，此次对第谷超新星的研究也发现了一个现象，那就是恒星似乎非常“顽强”：如此剧烈的近距离超新星爆发竟然只剥离了这颗伴星身上的一小部分物质。
在此之前天文学家们也曾在超新星遗迹中观测到一颗以极高速度运行的单个恒星，现在看起来它很有可能也是属于某个双星系统毁灭后的孤独幸存者。
根据观测到的X射线弓形激波形态，以及这颗幸存伴星的性质，研究小组计算出了那次可怕的超新星爆发之前，这一双星系统中两颗成员星的相互绕转周期以及两者之间的轨道距离。
计算显示，这两颗恒星相互绕转的周期约为5天，距离约为100万分之一光年，这大致相当于太阳到地球距离的十分之一不到。
相比之下，超新星爆发留下的遗迹现在的直径大约是20光年。
这个弓形激波的特征还显示它是由伴星表面剥离的物质所形成的。
如，这一遗迹的X射线辐射观测显示在弓形激波区附近存在一个明显的“阴影区”，这里激波被阻挡。
这很显然是当物质从伴星表面被剥离进入太空时，由于其星体阻挡而形成的屏障区。
卢方军说：“这是一个关键证据，证明第谷超新星是由一颗正常的伴星表面物质被爆炸剥离所形成的。
我们现在似乎已经找到了这个证据。
” 这个弓形激波的形态非常特殊，和遗迹中其它的结构都不一样。
在遗迹的其它部分先前也发现了一些纤维状结构，但它们的形状非常不同，这可能是由于受到宇宙射线加速导致的。
有关这一研究的详细论文奖发表在5月份出版的《天体物理学报》。
世界最神秘十大未解之谜：生命的基石可以在年轻恒星周围迅速形成
理论上，一种名为球粒陨石的陨石家族为地球提供了适合生命的物质。
但问题是，首先是如何将含有碳、氮和氧等元素的复杂有机分子密封在这些陨石中的？新的研究表明，这些大分子（生命的基本组成部分）形成的热点可能是婴儿恒星周围旋转物质盘中的所谓尘埃陷阱。
在这里，来自中心年轻恒星的强烈星光可以在短短几十年内照射积累的冰和尘埃，形成含碳大分子，这是相对快速的。
这意味着当较大的星子形成行星时，大分子可能已经存在，或者它们可能以小鹅卵石的形式密封在小行星中。
这些小行星可能会在太空中反复碰撞而破裂，形成更小的天体。
其中一些可能以陨石的形式到达地球。
含有复杂分子的冰粒子的图示（图片uux.cn/ESO/L.Cal ada）伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室的团队成员Paola Pinilla告诉Space.com：在行星可能需要容纳生命的大分子物质的形成中，发现集尘器的新的关键作用是令人难以置信的。
集尘器是尘粒生长为鹅卵石和星子的有利区域，而鹅卵石和星子子是行星的组成部分。
Pinilla解释说，在这些区域，非常小的粒子可以通过持续的破坏性碰撞不断地被重建和补充。
这些微小的微米级颗粒可以很容易地被提升到围绕婴儿恒星的扁平恒星形成物质云的上层，称为原行星盘。
Pinilla说，一旦到达这里，这些粒子就可以从它们的婴儿恒星接收适量的辐射，从而有效地将这些微小的冰粒子转化为复杂的大分子物质。
在实验室里复制太阳系的早期像太阳这样的恒星是在巨大的星际气体和尘埃云中形成过度密集斑块时诞生的。
首先成为原恒星，婴儿恒星体从其诞生云的剩余部分收集物质，堆积在其核心中引发氢与氦核聚变所需的质量上。
这是定义恒星主序星寿命的过程，对于围绕太阳质量的恒星来说，这一寿命将持续约100亿年。
这颗年轻的恒星被一个原行星盘包围着，原行星盘是在它的创造和提升到主序星过程中没有被消耗的物质。
顾名思义，植物是从这种物质和圆盘内形成的，但它也解释了彗星和小行星的起源。
我们的太阳系大约在45亿年前经历了这个创造过程。
之前在地球实验室进行的研究表明，当这些原行星盘受到星光照射时，它们内部可以形成数百个原子的复杂分子。
这些分子主要由碳构成，类似于黑烟或石墨烯。
围绕婴儿恒星PDS 70的原行星盘至少有两颗正在形成的行星。
（图片uux.cn/ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）/Benisty等人）尘埃阱是原行星盘中的高压位置，分子的运动在这里减慢，尘埃和冰粒可以积聚。
这些区域的较慢速度可以使颗粒生长，并在很大程度上避免导致碎片化的碰撞。
这意味着它们可能对行星的形成至关重要。
该团队想知道星光给这些区域带来的辐射是否会导致复杂的大分子形成，并使用计算机建模来测试这一想法。
该模型基于阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）收集的观测数据，该阵列由智利北部的66台射电望远镜组成。
莱顿大学的团队成员Nienke van der Marel说：我们的研究是天体化学、ALMA观测、实验室工作、尘埃演化和太阳系陨石研究的独特结合。
。
我们现在可以使用基于观测的模型来解释大分子是如何形成的，这真的非常酷。
该模型向团队透露，在除尘器中创建大分子是一个可行的想法。
伯尔尼大学的团队负责人Niels Ligterink说：当然，我们原本希望得到这样的结果，但令人惊讶的是，结果如此明显。
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我希望同事们能更多地关注重辐射对复杂化学过程的影响。
大多数研究人员专注于几十个原子大小的相对较小的有机分子，而球粒陨石大多含有大分子。
在不久的将来，我们期待着使用阿塔卡马大型毫米阵列（ALMA）等强大的望远镜进行更多的实验室实验和观测来测试这些模型，Pinilla总结道。
该团队的研究于周二（7月30日）发表在《自然天文学》杂志上。
