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我们像剥洋葱一样,一层一层揭开超新星的神秘面纱

2020/6/30 0:54:07 来源:原创 浏览:

超新星的工作原理

(在这张图片中,白矮星强大的引力从附近的恒星中吸出物质。如果白矮星变得太大,无法支撑自己的重量,它就会自行坍塌,然后在超新星中爆炸)

我们出生,然后成长,最后死亡。而如果我们在生命的尽头化作璀璨的焰火,消失在爆炸的巨响中,那么我们的生命周期与在夜空中闪烁的巨型恒星则可以说是基本相同了。

当宇宙中巨大的恒星爆炸时,爆炸阶段的恒星被称为超新星爆发。虽然较小的恒星就这样消失了,但它的死亡却是一场宇宙级引人注目的盛事。它一生都在蚕食自己的内脏——有时是太阳的内脏——来作为燃料。当没有任何东西可供它消耗时,它将自行坍缩崩溃,然后在敲响的丧钟声中向外爆炸,使其他巨大的恒星(有时甚至是整个星系)在数天,数周甚至数月内都显得黯然失色 【资料来源: 莱蒙尼克(Lemonick)】。

据统计,在银河系大小的星系中,超新星爆炸每50年左右就会爆发一次。然而,直到2006年,科学家都认为银河系最近的超新星爆炸发生在16世纪末[资料来源:戈达德太空飞行中心]。然后,他们意识到,他们跟踪了23年的星际碎片团,实际上是一个只有140年历史的超新星的残余物[资料来源:NASA]。由于宇宙尘埃的存在,天文学家并无法直接观测到这次超新星的爆发,据估计,宇宙尘埃也阻碍了我们对每年发生在银河系外的10亿颗超新星中绝大部分的观测[资料来源:奥登瓦尔德(Odenwald)]。

相反,有些超新星是如此明亮,以至于用一组简单的双筒望远镜就可以看到它们。2011年9月,北半球的人们可以窥视到大熊座风车星系(它出现在北斗七星的把手上方,但在南半球的大部分地区却看不到),一颗2100万年前引爆的超新星【资料来源: 珀尔曼(Perlman)】。那么,你如何发现一个超新星呢?将一个新的光点识别为超新星(而不是高速飞行的飞机或彗星)可能比你想象的要容易得多。

如何找到超新星

在晴朗无云的夜晚,使用星图来识别星座是很容易的。毕竟,这些天体的位置已经被绘制了几个世纪。但是,当一个系外来客突然出现在其有据可查的同伴中时,会发生什么呢?它可能是数亿年前爆炸的恒星的遗骸,而其光芒才刚刚到达我们的视网膜。

天文发现并不需要多么专业的天文知识。2011年1月,一个10岁的女孩在2.4亿光年外的星系里发现了一颗超新星[资料来源:文森特(Vincent)]。科学家经常依靠合作的天文学家在天空中巡视,以寻找新出现的、比周围物体更明亮、更清晰的精确点。

即将进入超新星的恒星,由于温度升高而将颜色从红色变为蓝色[资料来源:明克尔(Minkel)]。超新星之所以是蓝色是因为多普勒效应:它们爆炸产生的光向我们移动得如此之快,以至于看起来是蓝色的[资料来源:穆尔丁(Murdin)]。此外,与彗星或商用飞机不同,超新星并不会移动位置。

如果你发现一颗没有记录的超新星,你可以把它报告给国际天文学联合会天文电报中心局。天文学家们在那里将研究任何潜在的超新星正在发出的任何电磁辐射,包括但不限于伽马射线,X射线,紫外线波,可见光,红外波,微波和无线电波。这种可见和不可见的辐射光谱将帮助他们了解天体的组成,温度,密度,以及移动速度。

生活在中国古代的天文学家在公元185年观察到超新星。他们并不明白所看到的是什么,只能确信这是一个从未出现过的新的光点,将之称为“客星”。然而,在记录这颗新星8个月后,这个物体突然消失了。尽管这颗躲躲闪闪的恒星本来可能只留下只言片语的记载就被人遗忘,但2006年它又再一次出现在人们的视野中。那时,天文学家们突然意识到他们正在观察的超新星残余物与中国古代记载的是同一个 [资料来源:齐林斯基(Zielinski)]。

像这样的超新星已经遍布宇宙,在我们的银河系和其他数百万光年之外的星系中广泛存在。1987年,我们发现了一颗位于和银河系紧相毗邻的大麦哲伦星云中的超新星,它距离地球如此近的,以至于我们不用望远镜就能看到它。[资料来源:太空望远镜科学研究所]。2011年当科学家发现它的残骸进入到衰变阶段时发出更亮的光时,它再次创造了历史:这个超新星的残余碎片团膨胀,撞上了一圈在爆炸前从超新星中排出的碎片,产生了X射线和热量,这使得它的的光变得更加明显, [资料来源:贝克(Beck)]。

但是,这颗恒星最初是如何开始自我毁灭的呢?在下一段中我们将了解到巨型恒星的生命周期。

星级状态的更改

1572年,丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在夜空中发现了一个令人费解的现象:一颗明亮的新星(拉丁语,Nova)出现不久就迅速褪色。(我们今天知道它是一颗超新星,不是一颗新恒星,而是一颗垂死的恒星)而在此之前,西方普遍认为恒星从不会发生变化。[资料来源:第谷布拉赫博物馆]。

巨星的生命周期

(是1572年观测到的超新星第谷·布拉赫的残余物。这张图片是由低能x射线(红色)显示碎片和高能x射线(蓝色)显示爆炸波以及周围恒星的可见光组成的彩色合成图。美国宇航局/CXC/鲁特格斯/K.埃里克森)

当气体和尘埃在强大的引力作用下发生弯曲而形成一颗小恒星时,一颗巨星就在懵懂中开始了它的生命历程。当初生恒星中心的物质加热时,它会吸引更多的星际气体和尘埃。这一增长阶段可能需要5000万年的时间,接着是100亿年光彩夺目的成年期。

恒星为何会如此光彩夺目?氢核聚变成密度稍高、质量稍重的元素氦而为恒星提供燃料,恒星的核心发生核聚变,这一行为所产生的能量向外流动,防止重核自行坍塌,并产生可观测光 [资料来源:NASA]。你可以在《星星如何工作》(《How Stars Work》)中阅读关于此过程的更多信息。

当恒星开始耗尽氢并融合成氦时,它的生命将走到尽头。随着能量向外辐射,核心开始坍塌,导致其温度升高。氢核聚变只在恒星的外层中继续,继而导致其膨胀,变成了一个红巨星。一个红巨星会失去它的外层而变成白矮星,(如果质量足够大,恒星将通过将外层融合成越来越重的元素而消耗掉。如果恒星没有足够的重力来完成这一任务,它会将冷却的外层释放到太空中。)质量足够的白矮星最终会变成超新星。它的核心将崩溃,导致的爆炸无法与地球上任何可能经历的爆炸相提并论——除非我们捆绑上千万枚的核弹头,并同时引爆它们[资料来源:汤普森(Thompson),NASA ]。由于这种情况不太可能发生,所以我们永远不会经历超新星大小的爆炸——尽管有科幻电影《伊莱之书》这样的情节,但我们的太阳还不够大,不足以发出这样剧烈的爆炸。

为什么会发生这种毁灭性的坍缩?之后会发生什么?超新星将如何影响其星系的其他部分?以上相关内容我们将在下文中进行讨论。

超新星的类型

有足够的重量成为超新星的恒星,所产生的超新星被分成两种类型——I型和II型。天文学家鲁道夫·明科夫斯基(Rudolph Minkowski)在1941年提出了这种分类。天文学家使用一种叫做光谱仪的设备,可以很轻松地通过光的颜色来了解恒星内燃烧的元素。

通过使用光谱仪,明科夫斯基注意到一些超新星(I型)不含氢,但其他超新星(II型)则含有氢。随着观测技术的进步,在20世纪80年代,科学家进一步将I型超新星分为三个子类别:Ia型(其光谱中含有硅)、Ib型(其光谱中含有氦)和Ic型(两者皆不含)(恒星风在恒星成为超新星之前就撕裂其外层,从而使其失去元素)[资料来源: 斯威本科技大学]。

Ia型超新星的工作方式不同于所有其他类型。Ia型超新星来自白矮星,它是双星系统的一部分(即与另一颗恒星共享轨道的星体),其大小大约是太阳的两倍。这颗白矮星的质量允许它融合比氢稍重的元素,所以白矮星有一个稳定的碳氧核心。

这颗白矮星最终会衰变为一颗黑矮星。但由于它并非孤星,所以它可以获得其他恒星所不具备的优势,这两颗恒星中质量较大的那一个就像一个机会主义的兄弟,利用其引力从另一颗恒星窃取物质。这颗暴食的恒星一直生长到超过钱德拉塞卡极限——即质量是太阳的1.4倍在这样的尺寸下,白矮星的核心突然有足够的热量和压力来融合碳,而所有这些碳都像核弹爆炸时一样,把恒星炸成碎片[资料来源:阿特金森(Atkinson)]。它留下了形状对称的气态残余物,其中包含大量在爆炸热中产生的铁[资料来源:钱德拉X射线天文台]。

由于Ia型超新星在恒星死亡时都在同一点爆炸,因此它们的峰值亮度几乎完全相同。由于它们是如此的一致,所以Ia型超新星也被称为标准烛光:一旦天文学家在某个空间区域中找到一个,它们便可以将其用作比较周围其他物体的基准。

尽管Ib,Ic和II型超新星在光谱中显示出不同的元素,但它们都以相同的方式爆炸。详细内容将在下一节中了解。

钱德拉塞卡极限

20岁的时候,大多数大二的学生还在选择专业,而哈佛学生苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡已经证明了,白矮星在达到太阳质量1.4倍后就会爆炸。这一年是1931年,天体物理学家们从此开始根据他的发现为基准进行研究。2006年观测到的一个例外(白矮星爆炸前达到太阳质量的2倍)仍在研究之中。

核心坍塌超新星

(这是仙后座A,是一颗核心坍缩的超新星残骸,其中心具有中子星。它位于银河系,距地球仅11,000光年,最初爆炸于330年前)

NASA/CXC/UNAM/国际宇航局/D. PAGE,P. 什泰宁 ET AL

IB型、IC型和II型超新星一开始非常巨大——可能是我们太阳的8倍大——以至于它们把自己吞噬到了崩溃的地步[资料来源:NASA]。最终产生一颗白矮星,这颗白矮星的核心内部有着巨大的热量和压力,较轻的元素不断融合成越来越重的元素,而不是飞向太空。这会产生足够的辐射能来支撑恒星不断增加的重量——直到铁形成。铁熔合成更重的元素实际上是在消耗能量,而不是释放能量,所以当铁开始熔合时,恒星的外层就会失去并开始向内坠落。要理解这场巨大的爆炸,你必须知道恒星最微小的粒子是怎么回事。

如果一个白矮星的质量大到足以融合其核心中的铁,那么这些铁原子将变得异常炽热且密密麻麻地堆积在一起,就像卡在马戏团汽车中的满身是汗的小丑一样挤在一起。它们的亚原子粒子碰撞,铁原子核分裂,留下氦核加上几个遗留下来的中子,并在这个过程中吸收大量的能量。

如果没有足够的能量来支撑它,恒星的核心开始迅速收缩。它的直径突然从约5,000英里(8,000公里)增加到约12英里(19公里),从而产生高达1800亿华氏度(1000亿摄氏度)左右的温度[资料来源:NASA]。这种热量使质子和电子融合在一起,相互抵消,成为中子,并在这个过程中排出一堆中微子。中微子可以逃逸,它们逃逸带走能量,使核心用于支撑自身的能量变得更少。核心在物理上会尽其所能地收缩,但是即使没有更多空间,恒星的外层也会继续向内下落。那时,他们会在巨大的爆炸中反弹。所有这些都需要很多词来解释,但它可能仅发生在四分之一秒内。

爆炸的热足以熔化比铁重得多的元素,并将这些元素释放到气体云中,气体云将在剩余的固体核心周围成为的不对称残余物[资料来源:钱德拉X射线天文台]。

在下一节内容中,我们将分享更多关于恒星毁灭所产生的影响。

我们从超新星中学到了什么

[螺旋星系NGC 4151的中心有一个超大质量黑洞(如图中白色部分所示),它正在活跃地成长。它的昵称是“索伦之眼”,我们保证我们不会仅仅因为和“指环王”相像从而选择这张图片]

X-RAY:美国航天局/CXC/CFA/J.王ET AL;图片: ISAAC 牛顿组, 洛杉矶帕尔马/卡彭斯·卡普泰恩·广播:NSF/NRAO/VLA

英国流行乐队Oasis的热门歌曲“ Champagne Supernova” 现在成为复古广播电台的素材(或者怀旧者的铃声)。但当它在1995年首次发行时,它打破了排行榜记录,持续销售了390万册[资料来源:甘德森(Gundersen)]。

即使有如此成功的记录,"香槟超新星"与实际超新星SNLS-03C3bb相比也显得黯然失色。 天文学家在2006年发现了这颗超新星,并迅速将它昵称为“香槟”超新星(还有什么比形式摇滚更好的庆祝方式?),因为它远超乎他们的意料。超新星在爆炸前相当于2个太阳质量。这远远超过了天文学家们所期望的1.4个太阳质量——钱德拉塞卡极限[资料来源:CBC,杰弗瑞(Jeffery)]。

那么,为什么要庆祝一颗巨大恒星的死亡呢?因为SNLS-03C3bb改变了游戏规则,而且使科学家了解了不同的恒星是如何死亡的,这使得科学家能够预测未来的超新星将如何影响宇宙的其他部分。

Ia型超新星完全摧毁了一颗恒星的核心,而其他三种类型则留下了超致密的核心。当一颗内核小于3个太阳质量的恒星产生Ib,Ic或II型超新星时,它会形成一个中子星,其核心的密度与原子核的密度相同,并具有强大的磁场。如果它的磁场产生了灯塔式的辐射束,并随着恒星的旋转而朝着地球闪烁,那么就将其称为脉冲星

当一颗核心大于等于3个太阳质量恒星爆炸时,爆炸的后果可能会产生黑洞。科学家们推测,黑洞的形成是由于引力导致恒星被压缩的内核不断下沉产生的。黑洞具有有如此强大的引力,以至于它可以将周围的物质——甚至行星、恒星和光本身——拖入黑洞内部[资料来源:NASA]。你可以在黑洞如何工作一文中学到更多关于它们的事情。

抛开他们所有的破坏能力不谈,超新星也能带来很多好处。通过追踪特定恒星的消亡,科学家们发现了古代的天文学事件,并预测了宇宙的未来变化[资料来源:NASA]。通过使用Ia型超新星作为标准烛光,研究人员已经能够绘制出整个星系与我们之间的距离,并确定宇宙正在以更快的速度膨胀[资料来源:Cal Tech]。

但恒星留下的不仅仅是电磁信号。当一颗恒星爆炸时,它会产生宇宙碎片和尘埃[资料来源:NASA]。Ia型超新星被认为是造成宇宙中大量铁的罪魁祸首。宇宙中所有比铁重的元素,从钴到Og,都被认为是在核心坍塌在超新星爆炸过程中产生的。这些残余物与太空气体结合,形成新的星际生命:幼年恒星,这些幼年恒星会接着成长并衰老,最终可能再次成为超新星来完成生命的轮回。、

(标注一下最后一段Og这个元素)


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