天文學家終於發現爆炸後甚麼都不剩下的超新星

天文學家終於發現爆炸後甚麼都不剩下的超新星


早期宇宙裡,上百倍太陽質量大的恆星相當普遍。它們可能與現今恆星的形成途徑不同,甚至可能死亡途徑也不同。超新星爆炸發生後,原來恆星的核心可能會遺留形成中子星或黑洞等緻密天體,爆炸時向外拋出的物質則形成超新星殘骸,成為新一代恆星的製作材料。理論上,還有一種結局是整個星體都被摧毀,沒有殘留任何星體。前兩者已經有實證,最後一項卻一直沒有發現過。現在,終於有實證了。哈佛-史密松天體物理中心(Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics)塞巴斯蒂安·戈麥斯(Sebastian Gomez)等人發現SN 2016iet就是第一例炸到甚麼都不剩的超新星爆炸事件,並認為它是第一個確認的確是所謂的「不穩定對超新星(pair instability supernova)」的案例。

當一顆恆星的質量是太陽的數十倍,理論上認為當它生命終結,發生超新星爆炸時,其核心會加熱到能形成「電子(或稱負電子)」和其反物質「正電子(positron,或稱正子)」的程度。不像中子星上的中子,當正負電子對相遇時會互滅,不再能支撐核心去抵抗重力,使恆星持續塌縮,卻又在收縮成奇異點而能形成黑洞之前,驟然點燃熱核反應,但這個熱核反應最後失去控制,導致整個恆星發生爆炸,這就是所謂的「不穩定對超新星」。

這種超新星一直存在於理論中。天文學家之前曾觀測到幾個「候選者」,例如2007bi和ASASSN-151h,但天文學家無法收集到足夠的恆星爆炸前的質量和其他性質的訊息,無法給予實證。

SN 2016iet不一樣。天文學家用自動搜尋系統從蓋亞影像中發現這顆超新星,卡塔利納即時瞬變事件巡天(Catalina Real-Time Transient Survey)和泛星瞬變事件巡天(Pan-STARRS Survey for Transients)也分別在2017年1月和3月拍攝到這顆超新星。這些觀測證明,超新星爆炸後沒有遺留任何殘骸。這些觀測也顯示爆炸恆星隸屬於一個矮星系,但它是沒有伴星的單星,離它的宿主星系約五萬四千光年遠,比銀河系邊緣到銀河系中心的距離還遠。而後數年,這些天文學家利用位在智利的麥哲倫巴德6.5米望遠鏡(Magellan Baade Telescope)和其他地面望遠鏡追蹤觀測SN 2016iet的光譜,觀察它的變化。

初始光譜觀測顯示沒有氫氣,所以天文學家將之歸類為I型超新星。他們也測量了它的距離,顯示它的光走了將近十億光年才抵達地球。但這天體的性質並不符合任何其他的歸屬特性,事實上,它和目前任何已知的超新星都沒有相似之處。這些天文學家首先懷疑的是不是自己哪裡搞錯了。

後來他們利用數座地面望遠鏡拍攝影像,追蹤超新星亮度逐漸變暗的狀況。這個光變曲線可用以測試各種解釋爆炸理論的正確性。研究結果認為這個天體在爆炸前的質量約在五十五到一百二十倍太陽質量之間,甚至可能達二百倍太陽質量。雖然在它短短數十載的生涯中可能已經喪失部分外層大氣的物質,其將物質拋向太空的速率高達每年三倍太陽質量之多!

更甚者,這個被摧毀的恆星周遭環境中比氫和氦還重的重元素非常稀少,換言之,它的金屬豐度很低,這意味著這顆星出生和死亡都是在一個自大霹靂後改變不多,仍保持非常原始狀態的區域。如此一來,無論它的質量還是它所處的環境,這顆星都非常類似宇宙的第一代恆星,而這正是不穩定對超新星的最佳候選者之一,但與其他第一代恆星不同的是:天文學家們還有機會測量它爆炸之前的前身恆星的質量和金屬豐度,並由此檢視是否與理論預期相符。關於不穩定對超新星的概念已經提出數十年了,但SN 2016iet是第一個提供觀測證據的天體,使天文學家在這研究領域中前進了一大步,讓戈麥斯等人著實興奮不已。

【圖:拉斯坎帕納斯天文台;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】

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