这颗诈死的恒星,爆了一次又一次!

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11-16 18:39 科研圈 (keyanquan) 学术

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这颗史上最奇异超新星已经持续发亮超过三年,可能是同一颗恒星的第三次爆炸!


作者 LISA GROSSMAN

翻译 阿金

审校 薛钰


壳中幽灵 艺术家笔下的超新星构想图。看似普通,但可能是一颗恒星爆炸至少三次的产物,每次都向外驱散膨胀的气壳。(图片来源:NASA, ESA, G. BACON/STSCI)


有颗惊人的超新星拒绝死亡。

天文学家在11月9日的《自然》中报告称,这颗名为 iPTF14hls 的超新星在过去三年内反复增亮,而且可能在这之前已经有过另外两次爆炸。如此一颗不知疲倦地爆发的超新星,可能会成为第一个验证恒星内核有反物质燃烧这一爆炸理论的实例,也可能为一种全新的理论提供事实依据。

"超新星被视作'一次性'事件,即恒星爆炸,然后死亡,就结束了。它不会再一次爆发。"来自加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的天文物理学家 Iair Arcavi 说到。"这是我们见过的最奇特的超新星,就好像恒星在不断地死亡。"

"中期帕洛玛瞬变现象工厂(Intermediate Palomar Transient Factory)"周期巡天计划通过先进的观测手段对超新星爆发事件进行观测。2014 年 9 月,圣地亚哥附近帕洛玛天文台的望远镜首次观测到 iPTF14hls。它看上去就像一颗普通的 II 型超新星,位于距离地球5亿光年的星系内。爆发特征显示的是一颗 8 到 50 倍太阳质量的恒星垂死挣扎的最后时刻。一般情况下,超新星爆发产生的亮光会持续 100 天左右,然后变暗消失。

然而,发现 iPTF14hls 后的几周内,天文学家就观测到首个与众不同的信号--它又开始变亮。从 2014 年观测至今,三年间其亮度总共经历了五次无规律的起伏变化(如下图)。


"不死鸟的心脏" iPTF14hls 持续发亮超过 600 天,其亮度起伏了至少五次(黄线)。一般的超新星在爆发 100 天后就黯淡下去了(蓝线)。(图片来源:S. WILKINSON/LCO

更为奇特的是,根据 Arcavi 和其同事的报告,从 2014 年 9 月至 2016 年 6 月收集的数据显示,这颗超新星的亮光持续了近 600 天,直到现在才开始转暗。但在其刚被发现之前,就可能已经处于不断的起伏过程中了,所以它的亮光持续的时间也许比我们观测到的更久。


"这真是闻所未闻。" 加州大学圣塔克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)的理论物理学家 Stanford Woosley 感叹道,"普通的超新星干不出这种事。"


一般情况下,爆炸的恒星喷射出的气壳层在膨胀过程中,速度会减慢,并冷却下来。但是在监测 iPTF14hls 的过程中,天文学家发现,气壳层始终保持着一个适宜的温度--5700 摄氏度,而且其外层并没有出现应有的降速。观测小组推测说,气体可能早就冷却并降速了,它们其实是由更早的一次超强爆炸喷射出来的。超强爆炸也许发生在 2010 至 2014 年间,但当时并没有被观测到。

帕洛玛天文台摄影底片上的历史数据显示,1954 年,在同一片天区,曾观察到另一次明亮的爆发事件。有一种理论解释说,95 到 130 倍太阳质量的恒星能够爆发数次,尽管以前从来没有见过这样的循环死亡。此类恒星会变得异常炽热,足够将伽马射线(其高能量能抗衡恒星自身的引力坍缩)转变为电子和其反物质,正电子。没有了这种内部能量的支撑,恒星核就会坍缩,而且温度会变得更高。这样的坍缩触发局部区域的爆发,使得恒星喷射出大量物质。但是在爆炸之后,电子和正电子会重新结合成伽马射线,支撑住残余的恒星核。


诡异的回声 帕洛玛天文台的历史数据:1954 年在发现 iPTF14hls 的同一位置有亮点(左图),1993 年,亮点消失(右图)。(图片来源:S. WILKINSON/LCO, DSS, POSS


根据上述理论,恒星能够多次喷射出气体,直到最后死于超新星爆发。最终,此类超新星的残骸会坍缩成约 40 倍太阳质量的黑洞。


但是,这个理论还预言,恒星在第一次爆炸的时候,就会喷射出所有的氢元素。这与 iPTF14hls 的观测不相符:2014 年,iPTF14hls 仍喷射出 50 倍太阳质量的氢元素。而且在最近的爆发中,所喷射出的能量也远大于该理论的预测值。


Woosley 则提出:强磁星,一种拥有强大磁场、快速自旋的恒星残骸,能够持续发亮约两年左右。但是这无法解释 1954 年的爆发现象。他希望最新的数据能够帮助确定,哪一个理论是正确的,物理学家是否应该提出新的理论。


不过,这场爆发大戏可能快要收场了。Arcavi 提到,最新的数据显示,iPTF14hls 终于变暗了。随着外层气壳冷却从而变得愈来愈透明,爆炸内核的真面目或许能够被揭露。观测小组计划继续跟进。


"我不会再做什么预测了," Arcavi 说, "它花样百出,每次总能给我们意外之喜。"


原文链接 https://www.sciencenews.org/article/star-cheated-death-exploding-again-and-again




论文信息

【题目】Energeticeruptions leading to a peculiar hydrogen-rich explosion of a massive star

【作者】Iair Arcavi, D.Andrew Howell, et al.

【期刊】Nature

【时间】2017.11.08

【编号】doi:10.1038/nature24030

【链接】https://www.nature.com/articles/nature24030

【摘要】Every supernova so farobserved has been considered to be the terminal explosion of a star. Moreover,all supernovae with absorption lines in their spectra show those linesdecreasing in velocity over time, as the ejecta expand and thin, revealingslower-moving material that was previously hidden. In addition, every supernovathat exhibits the absorption lines of hydrogen has one main light-curve peak,or a plateau in luminosity, lasting approximately 100 days before declining.Here we report observations of iPTF14hls, an event that has spectra identicalto a hydrogen-rich core-collapse supernova, but characteristics that differextensively from those of known supernovae. The light curve has at least fivepeaks and remains bright for more than 600 days; the absorption lines showlittle to no decrease in velocity; and the radius of the line-forming region ismore than an order of magnitude bigger than the radius of the photospherederived from the continuum emission. These characteristics are consistent witha shell of several tens of solar masses ejected by the progenitor star atsupernova-level energies a few hundred days before a terminal explosion.Another possible eruption was recorded at the same position in 1954. Multipleenergetic pre-supernova eruptions are expected to occur in stars of 95 to 130solar masses, which experience the pulsational pair instability. That model,however, does not account for the continued presence of hydrogen, or theenergetics observed here. Another mechanism for the violent ejection of mass inmassive stars may be required.


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论文导读

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