罕见超新星爆炸产生了宇宙中一半的钙元素 包括构成我们牙齿的矿物质
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罕见超新星爆炸产生了宇宙中一半的钙元素 包括构成我们牙齿的矿物质

2020年08月06日 10:09:49
来源:前瞻网

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图片来源:Aaron M. Geller/Northwestern University

宇宙中有一半的钙——包括我们牙齿和骨骼中的钙——是在恒星垂死时产生的。

这种被称为“富含钙的超新星”的恒星爆炸非常罕见,因此天体物理学家一直在努力寻找并研究它们。然而,这些超新星的性质和它们产生钙的机制仍然难以捉摸。

现在,西北大学领导的一个研究小组可能揭开了这些罕见而神秘事件的真相。有史以来第一次,研究人员用x射线成像检查了一颗富含钙的超新星,这为这颗恒星生命的最后一个月和最终的爆炸提供了一个前所未有的机会。

新的发现表明,富含钙的超新星是一颗致密的恒星,在其生命的最后阶段会释放出一层气体。当恒星爆炸时,它的物质与外层的松散物质碰撞,释放出明亮的x射线。整个爆炸引起的高温和高压,推动化学反应产生钙。

西北大学一年级研究生Wynn Jacobson-Galan领导了这项研究,他说:“发生这样事件的数量少之又少,以至于我们从来都不知道是什么产生了富含钙的超新星。”“通过观察这颗恒星在它到达关键而混乱的终点前的最后一个月所做的事情,我们看到了一个从前未被探索过的地方,为转瞬即逝的科学现象开辟了新的研究途径。”

西北大学的Raffaella Margutti是这项研究的资深作者,他说:“在这次事件之前,我们已经间接地知道了哪些超新星可能是或者不是富含钙的。”“现在,我们可以自信地排除几种可能性。”

这项研究将在8月5日的《天体物理学杂志》上发表。来自15多个国家近70名合著者参与了这篇论文。

Margutti是西北大学温伯格文理学院物理学和天文学的助理教授,也是CIERA(天体物理学跨学科探索和研究中心)的成员。Jacobson-Galan是NSF Margutti瞬变研究小组的研究生研究员。

“全球合作被点燃”

业余天文学家乔尔·谢泼德(Joel Shepherd)在西雅图观星时首次发现了这一明亮的爆发,并将其命名为SN2019ehk。2019年4月28日,谢泼德用他的新望远镜观测了梅西耶100 (M100),这是一个距离地球5500万光年的螺旋星系。第二天,一个桔黄色的小点出现在画面上。谢泼德向一个社区天文调查报告了这一异常。

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Jacobson-Galan说:“当全世界都知道M100中可能存在一颗超新星时,就引发了一场全球合作。”“每个国家都有一个杰出的望远镜来观察这个物体。”

这包括美国的主要天文台,如美国国家航空航天局的雨燕卫星,夏威夷的W.M.凯克天文台和加利福尼亚的里克天文台。可以远程访问凯克的西北大学研究小组,是世界上启动望远镜在光学波长上检测SN2019ehk的众多研究小组之一。加州大学圣巴巴拉分校的研究生Daichi Hiramatsu是第一个触发雨燕在x射线和紫外线中研究SN2019ehk的人。Hiramatsu还是拉斯康布雷斯天文台的科学家,该天文台在利用其全球望远镜网络监测这颗超新星的长期演化过程中发挥了关键作用。

全球范围内的后续行动非常迅速,以至于超新星在爆炸10小时后就被观测到。雨燕卫星探测到的x射线发射只停留了五天,然后就完全消失了。

“在瞬变的世界里,我们必须在事物消失之前以非常快的速度发现它们。” Margutti说,“最初,没有人在寻找x射线。Daichi注意到了一些东西,并提醒我们注意到这个看起来像x光片的奇怪外观。我们看着这些图像,意识到有东西在那里。它比任何人想象的都要明亮得多。之前没有任何理论预测富钙瞬变现象会在x射线波长下如此明亮。”

“钙出乎意料的丰富”

虽然所有的钙都来自恒星,但富含钙的超新星的能量最大。典型的恒星一生中通过燃烧氦缓慢地产生少量的钙。另一方面,富含钙的超新星会在几秒钟内产生大量的钙。

“爆炸正试图冷却下来,”Margutti解释说。“它想释放自己的能量,而释放钙是一种有效的方式。”

利用凯克,西北大学的研究小组发现,SN 2019ehk在一个奇异的天体物理事件中释放出的钙是迄今为止最多的。

“它不只是富含钙,”Margutti说。“它是出乎意料的丰富。”

发现新线索

SN2019ehk短暂的光度也说明了它的性质。西北大学的研究人员认为,这颗恒星在最后的日子里会释放出一层气体。当恒星爆炸时,它的物质与外层发生碰撞,产生明亮、高能的x射线。

“光度告诉我们恒星脱落了多少物质,以及这些物质离恒星有多近。”Jacobson-Galan说。“在这种情况下,恒星在爆炸前失去了极其少量的物质。那个物质还在附近。”

尽管哈勃太空望远镜在过去的25年里一直在观测M100,但这个强大的设备从未记录下这颗导致SN2019ehk的恒星——它正在经历最后的进化过程。研究人员使用哈勃望远镜拍摄的照片在爆炸发生前检查了超新星的位置,并说这是另一个线索,以弄清这颗恒星的真实性质。

“它可能是一颗白矮星或非常低质量的恒星。”Jacobson-Galan说。“这两种情况都会非常微小。”

“如果没有这次爆炸,你不会知道那里曾经有过什么东西。”Margutti补充道。“就连哈勃也看不见。”

翻译/前瞻经济学人APP资讯组