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“烟花秀” 中隐藏着大质量恒星结局的秘密

宙中大大小小的恒星,恒星质量越大,半径也越大 | 图源:欧洲南方天文台(ESO)
 
导 读
 
质量是太阳八倍以上的大质量恒星在生命终点塌缩、爆炸,成为一颗在地球上肉眼可见的 “超新星”。但也许宇宙中有一些大质量恒星会有不一样的归宿。
 
撰文 | 毛俊捷(日本广岛大学)
 
责编 | 王一苇
 
借助欧空局(ESA)牛顿X射线空间望远镜(XMM-Newton),我参与的一个国际天文学者研究团队通过测量一个遥远而闪亮的星系中不同元素的比例来研究大质量恒星的结局。
 
大质量恒星是质量大于太阳质量八倍的恒星,其数量远少于宇宙较为常见的、质量和太阳差不多甚至更小的小质量恒星。
 
恒星的质量很大程度上决定了恒星的寿命,并决定其将以何种形式结束一生。小质量恒星较为 “长寿”,如太阳的寿命约为100亿年。大质量恒星的寿命则若白驹过隙,最长也不过几千万年。
 
一部分大质量恒星将以核塌缩超新星爆发,即铁核塌缩后经历一次猛烈爆炸的形式终结其 “短暂” 的一生 [1],并释放出极高的能量。在没有天光污染的古代,超新星爆发肉眼可见。汉、宋、明等朝代的古代天文学家们就记录了不少数千年前的超新星爆发事件,其中《后汉书·天文志》有人类最早的对超新星(古时称为 “客星”)爆发的记载 [2]。
漩涡星系NGC 2770中的“耀眼”的核塌缩超新星爆发 | 图源:欧洲南方天文台(ESO)
 
我们已经观测到质量较小(10到18倍太阳质量)的大质量恒星可以引发核塌缩超新星爆炸 [3]。质量极大(如150倍太阳质量)的大质量恒星则以不稳定对超新星的形式爆发,并直接塌缩成连光都无法逃逸的黑洞。那么以核塌缩超新星爆炸来 “谢幕” 的大质量恒星质量上限是多少呢?我们研究距离银河系约1.6亿光年的星系Arp 299发现,这个质量上限很可能是太阳质量的23-27倍。
 
该项成果以 “Elemental Abundances of the Hot Atmosphere of Luminous Infrared Galaxy Arp 299 ” 为题于8月31日发表于《天体物理学快报》(ApJL),我和南京大学周平是本文的第一、第二作者,荷兰SRON空间研究所、荷兰莱顿大学、美国肯塔基大学、日本RIKEN研究所、欧空局ESTEC中心的多位学者共同参与这一项研究。
 
为什么要研究Arp 299?
 
太阳所在的银河系中超新星爆发事件并不多见。这是因为银河系的恒星形成率较低,即每年所诞生的恒星数较少。而一些星系的恒星形成率可以是银河系的数十上百倍,它们被称为星暴星系(starburst galaxy)。
 
距离银河系约1.6亿光年的Arp 299就是一个正上演着 “烟花秀” 的星暴星系。严格来说,Arp 299是一对碰撞星系(即两个星系相互碰撞)。星系碰撞相互作用驱动着Arp 299极高的恒星形成率。随着大质量恒星们相继终结其短暂的一生,一场又一场的超新星爆发 “烟花秀” 随之而来。
正在上演“烟花秀”的Arp 299的多波段合成图像。X射线波段图像(紫色)来自于欧空局的牛顿空间望远镜(XMM-Newton),光学波段图像(绿色)来自于美航局哈勃空间望远镜(HST),红外波段图像(红色)来自于美航局斯皮策空间望远镜(Spitzer)| 图源:毛俊捷
 
过去近20年中,天文学家已在Arp 299中观测到10例超新星爆发事件,其中有9例见证了大质量恒星生命的终结。还有1例超新星爆发的性质并无定论。考虑到Arp 299中所弥漫着的大量尘埃的遮蔽效应,我们可能只观测到了该星系中10%左右的超新星爆发事件 [4]。
 
除了 “烟花秀”,超新星爆发还有哪些隐藏信息?
 
Arp 299中大量的超新星爆发释放了大量的能量,并形成席卷整个星系的 “超星风”。超星风将星际空间中的气体加热到上百万度,从而在X射线波段“光芒四射”。超新星爆发还向星际空间释放了大量的构成下一代恒星所必须的物质原料,即氧、氖、镁、铁等化学元素。不同质量的恒星所引发的超新星爆发会释放不同比例的上述元素 [1]。X射线能谱中不同元素的特征发射线正好可以用来测量 “烟花秀” 中热气体的元素丰度。
含有氧(O)、氖(Ne)、镁(Mg)、铁(Fe)等多种元素特征谱线的Arp 299的X射线能谱。X射线能谱来自于欧空局的牛顿空间望远镜(XMM-Newton)的反射光栅光谱仪(RGS,红色)和欧洲光子照相机(EPIC)中的pn照相机 | 图源:Mao et al. 2021, ApJL, 918, L17
 
一般而言,理论预期10到40倍太阳质量的大质量恒星都将引发核塌缩超新星 [1]。此前也有质疑认为并非所有大质量恒星都将引发核塌缩超新星,但并未给出具体质量上限。
 
我们从Arp 299的X射线能谱测得的元素的比例,并结合不同质量恒星的超新星爆炸核合成理论预期的元素比例,发现很可能只有10到23或者27倍太阳质量的大质量恒星会引发核塌缩超新星。受限于观测误差和理论模型的简并度,我们只能给出质量上限的范围。另一种解释则是,超新星爆炸核合成理论计算得出的来源于不同质量恒星的超新星爆发所释放的元素比例 [1] 有待修正。
 
事实上,天文学家们至今没有观测到18倍以上太阳质量的大质量恒星引发核塌缩超新星 [4] 的严格证据。大质量恒星若不以超新星爆发的形式 “谢幕”,则可能直接塌缩成光都不能逃离的黑洞,亦或者仅释放少量物质和能量的暗超新星(faint supernova)[1]。
 
幕后故事
 
2019年6月,在西班牙马德里举行的关于天体物理中的热气体的科学研讨会 [5] 上,我做了一场关于星系群和星系团内热气体的元素丰度的报告。这是我在荷兰SRON空间研究中心和莱顿大学攻读博士阶段时期(2014-2018年)的研究课题之一。该研究按惯例认为10倍到40倍太阳质量的大质量恒星可以通过核塌缩超新星的形式释放多种元素。周平则做了关于一个年轻的超新星遗迹G7.7-3.7的报告。周平的研究认为G7.7-3.7很可能与我国古代天文学家于公元386年(晋太元十一年)所记载的超新星(SN 386)爆发有关。
 
在会议的讨论中,我第一次从周平那里得知目前我们观测到的核塌缩超新星几乎都来自于质量小于18倍太阳质量的大质量恒星。也正是基于此次讨论,我们于同年10月提交了相关的XMM-Newton观测提案并获得批准。
 
2020年,随着疫情在全球蔓延开来,一部分地面天文望远镜不得不关闭。XMM-Newton空间望远镜得益于在家办公的欧空局相关工作人员而 “幸免于难”。总计约36小时的对Arp 299的三次观测(2020年3月、5月和11月)也如常进行。新的观测是已有观测总时长的近5倍。因此,我们能从质量更好的X射线能谱中更准确地测量元素丰度并探究其天体物理的起源。
 
相关论文:Mao et al. 2021, ApJL, 918, L17
 
参考资料
 
[1]Nucleosynthesis in Stars and the Chemical Enrichment of Galaxies. Nomoto, K., Kobayashi, C., Tominaga, N. 2013. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 51, 457–509.
 
[2]中、朝、日三国古代的新星记录及其在射电天文学中的意义。席泽宗,薄树人,天文学报,1965,13,1-22
 
[3]Observational Constraints on the Progenitors of Core-Collapse Supernovae: The Case for Missing High-Mass Stars. Smartt, S. J. 2015. Publications of the Astronomical Society of Australia 32, 16-38
 
[4]Core-collapse Supernovae Missed by Optical Surveys. Mattila, S. et al., 2012. The Astrophysical Journal 756, 111-126
 
[5]XMM-Newton 2019 science workshop: Astrophysics of hot plasmas in extended X-ray sources, ESAC, Madrid, Spain, 12-14 June 2019. https://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton/2019-workshop



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