宇宙第一代恒星是如何死亡的?

近日，美國哈佛大學(xué)-史密森尼天體物理研究中心的研究團隊在《天體物理學(xué)雜志》發(fā)表的論文，將人們的目光聚焦到2016年11月發(fā)現(xiàn)的一顆超新星上。

這是一顆名為SN2016iet的超新星，是迄今為止人類觀測到的最大單星爆炸之一。它的前身是一顆質(zhì)量超過太陽百倍的超大恒星。更特別的是，SN2016iet歷經(jīng)3年才徹底消失，人類有幸見證了這一特殊恒星的凋落歷程，留下豐富的數(shù)據(jù)，堪稱宇宙賜給人類的禮物。而它或許代表著包括宇宙中誕生的第一顆恒星在內(nèi)的超大質(zhì)量恒星的死亡方式。

那么，SN2016iet是怎樣被人類發(fā)現(xiàn)的?除了質(zhì)量大，它還有哪些特性?記錄它的死亡過程究竟有哪些意義?

恒星生命的華麗終結(jié)

相信很多人都有看到流星許愿的經(jīng)歷，那是宇宙中的塊體物質(zhì)在接近地球時，被地球引力拽過來，“親吻”大氣層并摩擦燃燒產(chǎn)生的光跡。人的眼睛總是更容易被運動的物體吸引，久而久之，流星就被賦予了美好的意義。然而，很少有人知道，夜空中的很多恒星，會以更壯烈的方式結(jié)束自己發(fā)光發(fā)亮的一生——超新星爆發(fā)，即一顆恒星的“自爆”。

超新星是指恒星演化過程中的一個階段，但并非所有的恒星都有資格成為超新星。天文學(xué)家認(rèn)為，恒星的演化必定以三種可能的冷態(tài)之一為終結(jié)：白矮星、中子星、黑洞。太陽在浩瀚的宇宙中算是個“小塊頭”，它將最終演變成低光度、高密度、高溫度的白矮星;相比而言，大質(zhì)量的恒星(如10倍太陽質(zhì)量或更重的恒星)更傾向于坍縮成為密度非常高的中子星或黑洞，在此之前會爆炸成為超新星。

超新星爆發(fā)時極其明亮，所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系，從開始到結(jié)束往往只有幾周至幾個月。但這期間內(nèi)一顆超新星的輻射能量相當(dāng)于太陽在其一生中輻射能量的總和。

但是，普通人卻很難在夜空中看到絢爛的超新星。那是因為一方面超新星爆發(fā)是一個星系中很少見的事件;另一方面，超新星爆發(fā)基本都遠在數(shù)千萬甚至上億光年之外，只有大型天文望遠鏡才能看到。

特殊超新星吸引地球“目光”

2016年11月4日，歐洲太空局(ESA)下屬的“蓋亞”太空望遠鏡最先發(fā)現(xiàn)了SN2016iet。隨后，位于美國亞利桑那州圖森的“卡塔琳娜”實時瞬變巡天系統(tǒng)(CRTS)以及位于美國夏威夷的全景瞬變巡天系統(tǒng)(Pan-STARRS)分別在2017年1月和2017年3月獨立發(fā)現(xiàn)了它。

之后，位于美國夏威夷的直徑8.1米的“雙子星”北座望遠鏡和智利的直徑6.5米的“麥哲倫-巴德”望遠鏡等地面天文觀測系統(tǒng)也紛紛加入“戰(zhàn)團”。其中“雙子星”北座望遠鏡在其中扮演了最為重要的角色。哈佛大學(xué)-史密森尼天體物理研究中心埃多·伯格教授表示，“雙子座”提供了比其他觀測手段更深入的超新星觀測結(jié)果。這使科學(xué)家得以在發(fā)現(xiàn)SN2016iet后800多天還能對其進行研究，盡管當(dāng)時它的亮度已降低到峰值亮度的百分之一。

研究人員通過多個地面望遠鏡跟蹤超新星逐漸減弱的光線，最后得出結(jié)論，在它爆炸之前，這顆巨大恒星的質(zhì)量在55到120個太陽之間，而其誕生時的質(zhì)量甚至可能是太陽的200倍。它在整個生命周期中逐漸失去一些外層物質(zhì)，大約在它進入爆炸之前的十年中，它以大約每年三個太陽質(zhì)量的速度迅速減重。

“除了質(zhì)量大，與其它超新星相比，它的光譜和光變曲線還具有一些特殊的觀測特征。”中國科學(xué)院國家天文臺副研究員張?zhí)烀雀嬖V科技日報記者，SN2016iet的光譜中沒有發(fā)現(xiàn)氫和氦的譜線，而是以中等質(zhì)量元素，如碳、氫、鈣等譜線為主，說明在爆發(fā)前，其前身星最外層的氫和氦殼層都已經(jīng)消耗殆盡。而且，它爆發(fā)的位置距離它可能的寄主星系很遠，達到54000光年，處于一個比較孤立的環(huán)境中。

中國科學(xué)院國家天文臺副研究員李海寧補充道，我們稱光譜中呈現(xiàn)的化學(xué)豐度模式為“化學(xué)指紋”。因為一個天體的化學(xué)成分通常不會隨著它的空間運動遷移發(fā)生變化，能夠反映出其誕生地等本質(zhì)上的特點，這與人類的指紋或DNA類似。SN2016iet具有超大質(zhì)量，且其所處環(huán)境缺乏金屬元素，表明它的前身恒星很可能誕生在宇宙中極早的恒星形成時期，也就是尚未形成足夠金屬元素的早期階段。

經(jīng)典模型受到挑戰(zhàn)

SN2016iet有許多特殊之處，包括超長的持續(xù)時間、巨大的能量、不尋常的“化學(xué)指紋”，以及周圍環(huán)境的重元素貧乏等。正如哈佛大學(xué)-史密森尼天體物理研究中心塞巴斯蒂安·戈麥斯教授所說：“當(dāng)我們第一次意識到SN2016iet有多么不尋常時，我的反應(yīng)是——難道我們的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了可怕的錯誤?”

既然它如此特殊，研究它必然有非凡的意義。當(dāng)一顆典型的大質(zhì)量恒星耗盡燃料時，它的核心會坍塌成更小更穩(wěn)定的中子星或黑洞。相當(dāng)于幾十個太陽的超大質(zhì)量恒星的死亡過程則有所不同，科學(xué)家們研究認(rèn)為，當(dāng)其核心加熱到一定程度時，會形成電子及其反物質(zhì)伙伴正電子。與中子星的中子不同，電子-正電子對沒有任何方法來支撐核心抵抗重力。因此，超大質(zhì)量恒星在死亡時將一直坍塌，直到它消失在黑洞的奇點中之前，會發(fā)生失控的核聚變，引爆整個恒星。這就是天文學(xué)家所說的脈沖對不穩(wěn)定性超新星(PPISN)。但直到現(xiàn)在，這基本上還是一個理論性的想法。

“SN2016iet是被發(fā)現(xiàn)的第一個金屬豐度和前身星質(zhì)量都符合PPISN模型的超新星，其測光和光譜演化或許可以用該模型來解釋。”張?zhí)烀日劦?，它的前身恒星的主序質(zhì)量被估計為120到260個太陽質(zhì)量，寄主星系的金屬豐度是太陽金屬豐度的10%。PPISN模型預(yù)言大質(zhì)量、貧金屬的恒星會在特定的條件下產(chǎn)生正負(fù)電子對，使得恒星的狀態(tài)方程發(fā)生變化，導(dǎo)致其不穩(wěn)定性增加，進而發(fā)生爆炸。

李海寧告訴記者，目前的經(jīng)典模型普遍認(rèn)為宇宙中的第一代恒星應(yīng)該是大質(zhì)量甚至超大質(zhì)量的，而它們正是以超新星爆發(fā)的方式結(jié)束自己的生命，其中PPISN就是一種可能的死亡方式。通過觀測和研究SN2016iet，可以類推第一代恒星的性質(zhì)及其死亡過程。

“但是，SN2016iet與PPISN模型并非完全相符。”張?zhí)烀戎赋觯鶕?jù)觀測數(shù)據(jù)，它的前身星在爆發(fā)前的短短幾年時間里，拋出了大約一半的質(zhì)量，而現(xiàn)有模型認(rèn)為這需要幾千年的時間跨度。

“因此，未來天文學(xué)家們需要更多的觀測數(shù)據(jù)來修正PPISN模型，或者找到更合理的模型來描述SN2016iet這類超新星的爆發(fā)。”張?zhí)烀日f。(實習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 第一代恒星死亡細(xì)節(jié)