絢爛的超新星爆發背後,可能是一顆“消化不良”的中子星

2021年09月21日12:00

  宇宙中數量頗為可觀的恒星都處在雙星系統中,而這兩顆恒星的壽命卻不一定相同。當一顆恒星死亡產生中子星後,如果引力將它拉向同伴的核心,它就會將伴星的核心吞噬。在吞噬伴星核心時,中子星可能會出現“消化不良”的情況,引發超新星爆炸。而最近,天文學家終於發現了這種只存在於理論中的超新星。

  撰文 | John Timmer

  翻譯 | 曾欣欣

  審校 | 王昱

  宇宙中最奇怪的天體之一是“雙核恒星”。許多恒星作為多體系統的一部分而存在,在某些情況下,它們的軌道非常接近。再加上恒星會隨著年齡的增長而膨脹,一顆恒星的外緣可能會吞沒另一顆恒星。摩擦可以將恒星的軌道拉得更近,導致兩顆恒星的核心都在一個巨大的、共享的等離子體包絡內運行。

  當你考慮到恒星的生命週期不一定會嚴格同步時,事情會變得更加複雜——其中一顆恒星很容易在另一顆的生命週期結束前爆炸,留下一個黑洞或中子星。這可能會導致一些奇怪的情況,比如一顆恒星用中子星取代了它的核心。

  現在,研究人員表示,他們可能已經找到了一種更激進的替代理論。在這種情況下,中子星並沒有完全進入其伴星的核心。相反,這顆伴星的外層消失於太空中,它的核心以超新星爆炸的方式被摧毀。

  新機制

  該天體的名稱為VT J121001+495647,得出這一結論的團隊對兩次不同的射電巡天觀測進行了對比。他們尋找的是特定區域中,在2017-2018年巡天時存在,而在1994年至2005年巡天時不存在的天體。這些天體中最亮的是VT J121001+495647。

  探測表明,該天體的氫發射線不是一個尖銳的峰,它非常寬。這告訴我們VT J121001+495647含有多種成分。一些正在向遠離我們的方向移動,所以它產生的光發生了紅移;其他的朝向我們移動,發生藍移。對這種現象最簡單的解釋是,VT J121001+495647是一顆爆炸恒星的碎片,向四面八方延展。

  更準確地說,我們看到的是超新星碎片在與超新星爆發之前恒星噴射出來的物質相撞。但研究人員計算出,早期拋射的總質量至少得與太陽的質量相同——這些物質質量巨大,甚至無法用太陽風之類的過程來解釋。所以這些物質一定是最近才被噴射出來的,因為超新星的碎片已經撞擊到它了。

  使問題更為複雜的是,該團隊在檔案中搜索到了一樁在同一地點發生的不尋常事件:國際空間站上的一個儀器捕捉到的X射線爆發。與其他X射線爆發相比,這一事件是異常的,因為它非常明亮但卻短暫,而且沒有延伸到更高的能量量級上。

  這次爆炸發生在VT J121001+495647被觀測到的三年前,所以它可能是超新星本身造成的。但爆炸的持續時間、能量與我們通常看到的中子星或黑洞形成的情況不相符。

  讓真相水落石出

  縱觀所有數據,我們有證據表明,這顆恒星在爆炸前幾年噴發了大量物質,這次爆發的時間可能與X射線爆發有關。有幾種方法可以解釋這一現象,但大多數方法似乎都與數據不太相符。例如,恒星核心核聚變反應的不穩定性可能導致爆發,但它們的大小僅足以在爆炸前的最後幾年“吐出”一個太陽質量左右的物質。如果發生了這種情況,這些物質仍然會比實際更接近恒星所在的位置。

  與伴星的相互作用可能會產生一個材料密度和距離都合適的外殼。但它們發生在恒星爆炸附近的幾率非常小。

  因此,研究人員提出了一種替代方案:物質的噴射確實是通過與伴星的相互作用而產生的,而這種相互作用正是引發超新星爆發的原因。

  VT J121001+495647對應體在18世紀的狀態(左上);從18世紀到2014年的狀態(右上);2014年的狀態(左下);2017年至今的狀態(右下)。圖片來源:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

  這一觀點背後的理論思想在過去十年間發表的一系列論文中得到瞭解釋。如果伴星已經爆炸,那麼它將以中子星或黑洞的形式存在。如果這個天體最終進入了正常恒星的外層,它會形成一個吸積盤和噴流,這將導致恒星外層大量物質噴發出來,形成能夠產生無線電信號的物質。

  然而,如果該伴星離恒星的核心足夠近,它可能會通過潮汐相互作用擾亂恒星的核心。這又是一個問題,因為核心中元素有序的核聚變提供了對抗恒星引力所需的能量,否則恒星核心就會塌縮。如果核心受到干擾,整個恒星核心就會轟然坍塌,產生超新星。在這個過程中,墜落的伴星可能短暫地形成了吸積盤和噴流,這就解釋了在檔案中發現的X射線爆發。

  無論如何,這顆恒星的質量一定足夠在某個點爆炸,但分裂加速了這一過程。

  我們以前見過的其他一些奇怪的天體可能也是由類似的機制創建的。不幸的是,我們沒有VT J121001+495647那樣豐富的數據,因此無法精確地確定事件的時間。如果科學家借助這個模型識別出了其他天體,你也千萬不要驚訝。

  原文鏈接:

  https://arstechnica.com/science/2021/09/cosmic-indigestion-swallowing-a-neutron-star-can-cause-star-to-explode/

  本文轉自環球科學

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