大質量恆星內部氖氣可以消耗核心中的電子導致整顆恆星坍塌

一隊國際研究人員小組發現，某一顆大質量恆星內部的氖氣（neon）可以消耗恆星核心中的電子，這一過程稱為電子捕獲，該過程導致恆星坍塌成中子星並產生超新星。

研究人員對研究質量範圍在八到十倍太陽質量的恆星，它們的最終命運感興趣。這個質量範圍很重要，因為它包括恆星具有足夠大的質量以進行超新星爆炸以形成中子星，還是具有較小質量以形成白矮星而不變為超新星之間的邊界。

一個八到十個太陽質量的恆星通常形成一個由氧，鎂和氖組成的核。 恆星核心含有大量簡併的電子，這意味著在緻密的空間中有大量電子，能量足夠高，可以使核心抵抗重力。一旦核心密度足夠高，電子就會先被鎂和氖消耗。 過去的研究證實，一旦恆星核心的質量接近錢德拉塞卡（ Chandrasekhar）的極限質量（稱為電子俘獲），鎂和氖就可以開始吞噬電子，但有關電子俘獲是否會引起中子星形成的爭論一直存在。 一個由多個機構組成的研究小組研究了8.4太陽質量恆星的演化，並對其進行電腦模擬，去尋找答案。

利用東京大學鈴木敏夫教授團隊最新更新數據，得出密度依賴和溫度依賴的電子俘獲率，他們模擬了恆星核心的演化，這是由退化電子對恆星自身重力的壓力所支持的。由於鎂（主要是氖）會吞噬電子，因此電子數量減少，核心迅速收縮。

電子俘獲也釋放熱量。當恆星核心密度超過角立方厘米一萬公噸時，核心中的氧氣開始燃燒中心區域中的物質，使它們變成鐵基核（iron-group nuclei），例如：鐵和鎳。溫度變得如此之高，以至質子游離並逸出。然後電子變得更容易被自由質子和鐵基核俘獲，因為密度如此之高，以至於核塌陷而沒有產生熱核爆炸。在新的電子捕獲速率下，發現氧氣燃燒稍微偏離中心，坍塌形成了中子星並引起了超新星爆炸，顯示可以發生電子捕獲超新星。

硏究小組在模擬的過程中發現，具有一定質量範圍的八到十個太陽質量的恆星會由於恆星風質量損失而形成由氧-鎂-氖組成的白矮星。 另一方面，如果風的質量損失很小，則恆星會經歷電子捕獲超新星。該小組認為，電子捕獲超新星原理，可以解釋中國歷史上1054年記錄形成蟹狀星雲的超新星性質。

【圖：科維理宇宙物理學與數學研究所；文：節譯自東京大學2020年3月31日新聞公佈】研究全文刊登在2019年11月15日出版的《天體物理學報》期刊。