探索大質量恆星爆炸的經典故事

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超新星SN 1987A 三十年回顧

天文學家是不會局限於人類和人類的時間尺度的。天體往往會花上千上萬甚至上億年的時間演化。偶爾宇宙也會給人們帶來意外的禮物，例如三十年前出現在天空中的一場光芒奪目的爆炸。

超新星SN 1987A記錄了一顆大質量恆星的死亡，其發光的遺迹位於銀河系的衛星星系——大麥哲倫星雲（LMC）。在天文術語中，大麥哲倫星雲屬於近距星系。這大致意味著望遠鏡能夠清晰地觀測到超新星遺迹的細微變化。假如這場爆炸發生在數百萬光年之外，就沒法在地球上觀測到了。

賓州州立大學的科學家法麗·弗蘭克（Fari Frank）說，「它在人類的時間尺度上發生變化。」這種天體的獨特性質，讓她以及研究SN 1987A的科學家們產生了持久的興趣。

在銀河系大小的星系中，超新星平均每世紀出現一次，但銀河系的下一顆超新星遲遲沒有到來。因此，我們對於來自近距星系的驚喜表示歡迎。天文台追蹤超新星從爆炸演化至超新星遺迹的每一個時期，並將這些細節拼湊起來，以研究這場爆炸以及發生爆炸的原恆星。科學家們尚無法獲得其它超新星的相關數據，所以，超新星SN 1987A不僅僅給我們帶來了驚喜，還可以用於研究超新星的普遍特性。

三十年間，我們持續對超新星SN 1987A進行了多波段觀測，最近有什麼新成果呢？

（2006年拍攝。箭頭所指的小點即為SN 1987A遺迹。來源：ES0）

歷史性的一刻

1987年2月23日，超新星SN 1987A——一顆熠熠閃耀在南天的新星出現在人們的視野中。起初科學家們不敢相信爆炸的發生地點離銀河系相當近，以為是同事在開玩笑。但沒過幾天，全球的天文學家們爭先恐後地觀測這顆亮星，確定了它位於鄰近的大麥哲倫星雲（LMC）。這個位置不能更好了——因為幾乎所有銀河系的超新星都被星際塵埃所重重遮蔽。

通過對比超新星SN 1987A所在區域爆炸前和爆炸後的照片，科學家們很快確定了發生爆炸的原恆星。該超新星的前身Sanduleak -69°202是一顆藍超巨星，質量為太陽質量的數倍，恆星內部劇烈燃燒，表面是藍色。如同所有的恆星一樣，這顆恆星內核的溫度和壓力足夠高，提供發生核聚變的環境，製造重元素。

恆星合成鐵元素時，生成更重的元素的聚變反應就停止了。星核在引力的作用下開始向內坍縮。當恆星內核達到中子的密度時，星體爆炸，恆星的外部會被拋出，並且釋放巨大的能量，在爆發的遺迹中會留下一顆中子星或者黑洞。但科學家們目前還沒找到關於中子星和黑洞的任何證據，這是SN 1987A遺留給人們最大的謎團。

氣體爆炸層從爆炸中心以不同的速度衝出，最快可以達到十分之一光速。之後的數年，由於爆炸產生的放射性元素分散在超新星遺迹中，超新星得以繼續燃燒。放射性元素衰變逐步釋放能量，加熱氣體。1990年後，SN 1987A的放射性元素不再推動超新星遺迹的膨脹，因此氣體冷卻下來，光線逐漸暗弱。

1997年後，SN 1987A遺迹又重新增亮，這次不是因為放射性物質，而是高速氣體激波從爆炸點衝出，與周圍的星際氣體劇烈相撞，並因此加熱了星際氣體。由於能量的大量湧入，被加熱的氣體將額外的能量輻射出來。1997年科學家們用哈勃空間望遠鏡在光學波段第一次觀察到了這種輻射——它們看起來像一串珍珠項鏈，珍珠部分就是能量輻射最強烈的地方。

1999年7月，錢德拉X射線望遠鏡（the Chandra X-ray Observatory）成功發射。三個月後，科學家們獲得了第一張SN 1987A的X射線照片。大概半年後，大衛·伯羅斯（David Burrows）用X射線望遠鏡拍攝到了超新星遺迹的照片，照片中的氣體環呈圓環狀，熾熱燃燒著，溫度高達1,000,000K。但錢德拉X射線望遠鏡的解析度不足以將細節分辨出來。

天文學家現在查明了物質環的來源：在爆炸的前兩萬年，Sanduleak -69°202向外拋散出這些氣體，拋散出的自身物質相當於幾倍太陽質量。但對於這一過程的解釋，科學家們的觀點並不一致。有人認為是因為恆星自轉速度太快，導致拋出了赤道上方的大密度星風，另一些認為是兩顆大質量的恆星在幾千年前合并而釋放氣體。

被拋出的物質與爆炸產生的激波相比，速度十分緩慢，所以激波撞擊原先形成的環系時，會使氣體開始燃燒發光。從1997年起，在每一張哈勃望遠鏡拍攝的照片中，氣體環一直在發光，直到最近光線才消失了。

（超新星遺迹分析）

內外通明——點亮新的區域

現在，激波傳播的距離已經超過了氣體環。瑞典科學家克拉斯·弗蘭森（Claes Fransson）和約瑟芬·拉爾森（Josefin Larsson）主持了近期哈勃空間望遠鏡對氣體環的觀測，結果顯示，氣體環的「珍珠」結構亮度越來越暗弱，光亮不再。在原來的主環之外，出現了新的塵埃團。科學家們觀察離爆炸地點越遙遠，就能追溯得越久遠。這意味著，移動在最前面的激波抵達了這片新區域，它為科學家們講述，除了兩萬年前形成的氣體環之外，Sanduleak -69°202還曾向外拋散了什麼。「隨著激波繼續前進，我們會看到更多原恆星質量的損失過程。

當錢德拉望遠鏡在X射線波段不再能分辨「珍珠項鏈」結構時，數據顯示氣體環的亮度穩定了下來。與伯羅斯一起研究錢德拉數據的弗蘭克說，「激波穿過氣體環，去往別的地方。有趣的是，我們不知道它們去到了哪裡。」

氣體環處的X射線輻射比超新星遺迹的其它區域都要強烈。但是很快氣體環就會暗淡下來，弗蘭克和伯羅斯期待著其它的X射線可見的區域。具體來講，他們在尋找第二次到來的激波所碰撞的物質。伯羅斯說，「當激波猛烈撞擊氣體環的內緣時，大部分都能穿過邊緣，加熱氣體，從而點亮環系；但是另一部分激波會被內緣反射，現在他們又重新跋涉到了遺迹內緣。這就是反射激波。」

（紅色部分為ALMA拍攝的爆炸中心的碳氧化合物。

來源 : ESA/NASA/HERSCHEL/SPITZER/ESO/ALMA）

乍暖還寒——氣體環的冷卻

超新星爆炸釋放出巨大的能量，達到驚天的溫度。由於激波將原子激發到上百萬攝氏度，直到今天SN 1987A的氣體環仍在輻射光波和X射線。氣體環的觀測持續了三十年，很容易推測出整個超新星遺迹一定還很熾熱。但是氣體環是個例外，它的溫度十分寒冷。

在爆炸區域的中心，物質已經膨脹擴大開來，伴隨著能量輻射和熱量釋放。事實上，遺迹的中心區域已經足夠冷卻，為原子形成分子和一些分子聚合形成塵埃粒子提供了環境，這裡的溫度在20-100K之間（地球上的水的冰點為273K）。為了研究這些低溫物質，科學家們將觀測重心轉移到低頻電磁波，可用的儀器有紅外望遠鏡和亞毫米波天線陣。

在此研究中最不可或缺的一個工具就是ALMA（阿塔卡瑪大型毫米波天線陣），它可以分辨出距離僅僅0.05″的兩個天體，比哈勃望遠鏡所能達到的解析度甚至還要更好。為了研究SN 1987A內低溫塵埃的輻射，當時在倫敦大學學院的松浦未華子（Mikako Matsuura）和她的同事收集了尚未完工的ALMA在2013年的數據和歐南台赫歇爾空間天文台（Herschel Space Observatory）2012年在紅外波段的數據，發現遺迹中的塵埃數量龐大，大約是太陽質量的1.5倍。

天文學家所說的塵埃並不是平時路邊揚起的塵土，它的質地更像煙霧。星際塵埃的大小在幾個原子直徑到0.1毫米之間，輻射溫度只有20K左右。

科學家不可能用秤稱出SN 1987A中心部分的質量，松浦的團隊轉而使用過去三十年內科學家們使用的工具：收集電磁波。從物質輻射的電磁波的類型可以推斷出其溫度，並且更明亮的信號意味著更多物質。松浦說，「所以從天體的亮度可以得到它的質量，這是只是簡單的物理知識。」然而不那麼簡單的是，認識星塵形成和毀滅的過程。

（ 將三年的照片疊加起來的SN 1987A的三個環系。

來源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM/AURA）

繪製星圖

這個研究小組同時也使用ALMA和紅外望遠鏡來觀察超新星遺迹中噴射出的分子。然而對於星塵的研究給科學家們帶來的信息有限——例如對於「什麼類型的物質能夠產生微觀粒子呢？」這樣的問題，觀測分子的類型能更好地給出物理解釋。每種類型的分子都是由一種元素的獨特組合，輻射出不同顏色、不同波長的光。這意味著科學家們可以通過儀器得到光的波長，從而計算出被檢分子的類型。他們還能得到一系列被檢分子的附加信息：運動的方向和速度（朝向或者遠離望遠鏡方向）、溫度（只有在特定溫度時某些分子才會存在），以及分子的數量。科學家們整合這些細節後，可以得到爆炸恆星內部的信息。

然而，探測低溫分子並不是研究古老的原恆星的唯一方法。

科學家們已知在超新星爆炸時產生的放射性元素，可以用相對應一個特定波長的高能X射線追蹤。研究人員使用NASA的高能X射線原子光譜望遠鏡（NuSTAR X-ray observation）2012至2014年間的數據，對鈦-44的分布進行了研究。鈦元素在遺迹中的分布可以揭示，在發生爆炸時，原恆星內部在進行如何澎湃的運動。同時，分布情況也可以反映爆炸的不對稱性。

拉爾森在用哈勃望遠鏡對氣體環的「珍珠項鏈」進行光學研究的同時，她也在繪製遺迹中不同元素和分子的運動情況。為了從噴出物中找出更多的爆炸細節，她使用了哈勃和甚大望遠鏡（the Very Large Telescope in Chile）的數據。

具體來說，拉爾森會測量每一個氣體雲在視向方向的運動，用這些數據計算出它們離地球的距離。她說，「我們會把這些數據和ALMA獲得的分子信息結合起來，建立起一個更加細緻的關於不同元素和分子的三維分布圖像。」迄今為止，拉爾森和她的同事們已經繪製了氫、鐵、硅、鈣、鎂和氧元素的分布圖。另外，這些元素的分布都不對稱。

大量證據顯示，SN 1987A的爆炸是不對稱的；今後，也許科學家們對爆炸方式會有更深入的了解。大多數計算機模型都未能成功模擬超新星的形成——它們在發生爆炸時就跳出了，無法引發爆炸。但是超新星確實在宇宙中出現過，並把它的物質拋射到星際中。SN 1987A及其遺迹為計算機模型提供了最優的約束條件。

在SN 1987A及其遺迹的研究方面，天文學家們有著遠大的目標，為了這些目標，他們也將繼續觀測。觀測正在演化中的天體的機會不多，科學家們也沒有因爆炸發生在近距星系而掉以輕心。在近距星系的下一顆超新星爆炸之前，SN 1987A一直都是研究超新星的最佳選擇。弗蘭克說，「只要我們可以，就理應觀測它。在很長一段時間內，它可能是我們探索超新星的唯一可能。」

END

作者：麗斯·克魯西（Liz Kruesi）

翻譯：凌安

校譯：雪思瑜

編排：邱煜欣

責任編輯：解仁江

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