蟹狀星云。圖片來(lái)源：NASA

美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校拉斯坎布雷斯天文臺(tái)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)全球團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)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(shí)世界中卻一直難以找到相應(yīng)的案例。它們被認(rèn)為是由大質(zhì)量超漸近巨分支（SAGB）恒星的爆炸產(chǎn)生的，對(duì)此也缺乏證據(jù)。這一發(fā)表在《自然—天文學(xué)》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(yáng)質(zhì)量的8倍）生命結(jié)束后遺留下來(lái)的稠密的火山灰核。當(dāng)一顆大質(zhì)量的恒星（約是太陽(yáng)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(shí)，就會(huì)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(dāng)這些恒星的核心由氧、氖和鎂構(gòu)成時(shí)，它們就會(huì)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(jìn)行的核聚變，要么是核聚變已經(jīng)停止的核心，即原子無(wú)法壓縮得更緊。在一個(gè)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(gè)過(guò)程叫做電子捕獲。這種電子的移除導(dǎo)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(huì)融合產(chǎn)生更重的元素，從而延長(zhǎng)它的壽命。因此，這是一種與“金發(fā)姑娘效應(yīng)”（意指剛剛好）情況相反的情況：恒星不夠輕，無(wú)法逃脫其核心的坍縮；也不夠重，無(wú)法通過(guò)不同的方式延長(zhǎng)其生命并在之后死亡。

這是1980年由東京大學(xué)的Kenichi Nomoto等提出的理論。在過(guò)去的幾十年里，理論學(xué)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(yù)測(cè)。恒星應(yīng)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(yīng)該是一種不尋常的化學(xué)成分。那么電子捕獲超新星應(yīng)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(xiàng)新研究是由加州大學(xué)圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文臺(tái)的博士Daichi Hiramatsu帶隊(duì)。他是全球超新星項(xiàng)目（GSP）的核心成員，這是一個(gè)由全球科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，他們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)使用數(shù)十個(gè)望遠(yuǎn)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(duì)較近，在ngc2146星系中，距離地球只有3100萬(wàn)光年，這對(duì)它的生存有利。這使得研究小組能夠檢查哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在其爆炸前拍攝的檔案圖像，探測(cè)其潛在的前身星。這些觀測(cè)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(yù)測(cè)電子捕獲超新星的指標(biāo)，但只有SN 2018zd擁有所有這六種指標(biāo)：一個(gè)明顯的SAGB前身星、強(qiáng)大的超新星前質(zhì)量損失、不尋常的恒星化學(xué)成分、微弱的爆炸、很少的放射性和一個(gè)富中子的核心。

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

這些新發(fā)現(xiàn)也揭示了過(guò)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(guó)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(cè)到。由此形成的蟹狀星云已得到詳細(xì)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?yàn)槌滦菄姵鑫锱cSN 2018zd中所看到的原始恒星釋放的物質(zhì)發(fā)生碰撞而增強(qiáng)的。

東京大學(xué)的Ken Nomoto對(duì)其理論被證實(shí)感到興奮?！拔液芨吲d這個(gè)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)?！彼f(shuō)，“我非常感謝為獲得這些觀測(cè)所付出的巨大努力。這是觀察和理論結(jié)合的一個(gè)極好的例子?！?/p>

“對(duì)我們所有人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)‘頓悟的時(shí)刻’，我們結(jié)束40年的理論爭(zhēng)議做出了貢獻(xiàn)。”Hiramatsu補(bǔ)充說(shuō)。

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


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