恒星合併引起新型超新星爆發被證實:此前只是理論預測

2021年09月05日20:05

原標題:恒星合併引起新型超新星爆發被證實:此前只是理論預測

2017年,研究者在甚大陣列 (Very Large Array) 巡天獲取的數據中發現了一種特別明亮且不尋常的射電源。近日,加州理工學院研究生Dillon Dong等人確定,該射電耀斑由雙星系統中黑洞或中子星撞擊其伴星引起。

當大質量恒星停止放熱聚變時,它不再能夠承受自身重力,其核心自行坍縮,引發超新星爆炸,並留下一個緻密的中子星或黑洞。由於大多數大質量恒星都誕生在密近的雙星系統中,中子星或黑洞可以靠近其伴星的軌道,並有可能向內旋進直到它們合併。

理論預測,這類合併也會引發超新星爆發,但以前從未觀察到此類事件。而此次工作首次確認由恒星合併引起的超新星。

相關研究論文於9月3日發表在國際知名學術期刊《Science》上,論文標題為《A transient radio source consistent with a merger-triggered core collapse supernova》(與合併引起的核心坍縮超新星一致的射電瞬變源)。

“我們對研究射電天空如何隨時間變化感興趣。它變化的最引人注目的方式之一一顆恒星在超新星中爆炸。當爆炸的恒星撞擊周圍的氣體並產生衝擊波時,超新星會產生射電輻射。想像一下,一輛沒有刹車的汽車以每小時150公里的速度行駛在高速公路上。突然,汽車在高速公路上遇到了車流,它撞上第一輛車,然後這輛車又撞到它前面的車,這種反應持續著。”Dong對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示。

“在這種情況下,超新星是汽車,可能以每秒10000公里的速度行駛,它所撞擊的‘交通工具’是被黑洞噴射到太空中的恒星外層。這種劇烈衝擊相互作用產生了我們觀察到的射電輻射。”

射電瞬變源是一種壽命短暫的射電源,它像在黑暗房間中點燃的火柴那樣燃燒亮起又迅速熄滅,可以用於識別不尋常的天文事件,例如,大質量恒星爆炸並噴出高能噴流,中子星合併等。

此項工作中,Dillon Dong及其同事使用甚大陣列巡天的數據搜索射電瞬變源並確定了一個非常明亮的射電源(能發射強無線電波的天體)——VT J1210+4956。

VT 1210+4956是迄今為止與超新星有關的最明亮的射電瞬變源。其發生在一顆恒星以超新星形式爆炸時,爆炸噴出的物質與氣體外殼相互作用。

明亮的VT1210+4956
明亮的VT1210+4956

Dong表示,大多數超新星比VT 1210+4956暗得多:有些超新星的亮度比VT 1210+4956弱100萬倍以上。這可能是因為他們前面沒有“車輛”。就像美國郊區的一條公路,很長一段距離內都沒有汽車。“在我們的例子中,交通就像從北京機場出來的高速公路。因此,我們觀測到的撞擊是迄今為止觀測到的最明亮的射電超新星之一。”

然而,由於氣體外殼本身及其從恒星上脫離的時間尺度都不尋常,Dong懷疑這次爆炸的故事可能有更多內容。加州理工學院研究生 Anna Ho建議將這種無線電瞬變與 X 射線光譜中不同的短暫明亮事件目錄進行比較。通過比較,Dong發現了一個與 VT 1210+4956 來自天空中同一點的 X 射線源,仔細分析後他確定 X 射線和無線電波很可能來自同一事件。

VT1210+4956與其他射電超新星的推斷的衝擊特性比較
VT1210+4956與其他射電超新星的推斷的衝擊特性比較

該團隊在仔細建模後確定了最可能的解釋。他們推測,一個雙星系統中,一顆恒星先爆炸留下殘骸(黑洞或中子星),該殘骸一直在緊密地圍繞著伴星。隨著時間的推移,黑洞開始吸走伴星的大氣層並將其噴射到太空中,形成氣體環。這個過程將兩個天體拉得越來越近,直到黑洞陷入伴星,導致伴星坍縮並爆炸為超新星。

X射線由恒星坍縮時從核心發射的噴流產生。相比之下,無線電波是在幾年後爆炸的恒星到達氣團時產生的,氣團是由旋進的緻密物體噴射出來的。

一顆大質量恒星和一個緻密天體可以形成“穩定軌道”(stable orbit),兩個天體會在漫長的時間內逐漸螺旋靠近。這個過程形成了一個穩定數百萬到數十億年的雙星系統,但最終會發生碰撞併發出LIGO團隊在2015年和2017年觀測到的那種引力波。

然而,在VT 1210+4956的情況下,兩個天體立即發生了碰撞,產生了X射線和無線電波。儘管理論上已經預測了此類碰撞,但這是首次發現現實證據。

“這是發現首個的大質量恒星吞噬其中子星或黑洞鄰居時產生的超新星。”Dong表示,“在過去的10年里,天文學家已經開始意識到大多數恒星並非單獨誕生的:許多大質量恒星以雙胞胎或三胞胎(甚至更多)的形式誕生。一個系統中多顆恒星之間的相互作用可以產生非常有趣的行為,這一點我們現在才開始瞭解。我認為這種新型超新星只是將從多顆恒星相互作用中發現的許多有趣現象之一。”

談及關於超新星的下一步研究,Dong表示,“這顆超新星仍在進行中,所以我會繼續觀察它,直到它從探測中消失。這將有助於我們瞭解中子星或黑洞何時進入恒星的第一階段。我還將繼續在射電天空中尋找有趣的新的射電源。”

視頻精選
更多新聞