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一颗大质量恒星无爆炸的死去,揭示了超新星敏感的本性


2008年,另一个星系中的一颗红巨星到达了它的生命终点。 对于一颗如此重的恒星,其初始质量达到了太阳的25倍,预期会在一种名为超新星的炽热闪耀中熄灭,亮过我们的太阳百万倍甚至数十亿倍。 但是这一颗拒绝扮演戏剧女王。相反,它只是稍微变亮一点点,然后就消失了,可能留下了一个黑洞。

螺旋星系NGC6946产生了我们看见的第一颗,讫今为止也是唯一的一颗,失败的超新星:红超巨星没有爆炸就从天上消失了。
图片来源:Science Source/Robert Gendler

之前从没有人见过一颗红巨星转瞬间就消失了。这表明这些恒星的生与死比起我们最简单的理论所展示的要更为复杂。 加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的Stan Woosley说:“虽然如此惊叹、重要以及有趣和令人兴奋,但这并不惊讶”。 事实上,这个发现可以帮助解释为什么计算机模型中的一些大质量恒常常无法爆炸。

膨胀和塌缩

传统理论认为,几乎所有初始超过8倍太阳质量的恒星都将发生超新星爆炸。年轻的大质量恒星发出耀眼的蓝色光芒, 位于核心的核反应堆产生出巨大的能量,这使得恒星保持高温,气体向外推并部分抵消了向内的引力,从恒星核心流出 的许多光子也是如此。只要恒星继续产生能量,它就能支撑自己。

虽然最终引力总是获胜。 到了生命的晚期,随着大质量恒星开始耗尽燃料,它会膨胀。 初始质量从8到25倍或30倍太阳的恒星膨胀得如此之大,以至于表面温度会降低,变成一颗红巨星。 如果我们的太阳像最大的红巨星一样大,它会吞噬从水星到木星的所有行星。 然后按照标准知识,耗尽燃料的核心会开始塌缩,塌缩引发了中微子浪潮,这些幽灵般的粒子通常不受阻碍的穿过物质, 但塌缩的核心产生了如此之多的中微子,它们吹散了恒星的外层,导致了巨大的超新星爆炸。

天文学家们确实在其它星系中目睹了许多超新星爆炸,通常是在大质量恒星聚集的旋臂中。因此,一种普遍的看法是,初始超过8倍太阳质量的恒星终将会爆炸为超新星。

然而几十年以来,像Woosley这样的理论学家一直致力于在计算机模型中模拟大质量恒星的爆炸;可模型中的恒星却常常在自身重力下塌缩。研究人员常常认为 莎士比亚的名言在这里是正确的:错误不在我们的恒星里,而在我们自身。理论模型很可能无法模仿这些极端恒星中的极端条件。

红超巨星问题

但是近年来,观察也开始表明一些红超巨星并没有成为超新星。 从1987年,在邻近的大麦哲伦星云观测到超新星开始,天文学家已经有能力通过检查爆炸前的星系照片来鉴定是哪颗恒星发生了爆炸。

贝尔法斯特女王大学的Stephen Smartt说,到目前为止,天文学家已经完成了25例恒星的尸检工作。 不出所料,大多数厄运的恒星都是红超巨星。但是它们并没有涵盖从8倍到30倍太阳的全部质量范围。 “我们几乎没有发现初始质量超过17倍太阳质量的恒星”,Smartt说。 “而且这些应当是图像上最亮、最容易被发现的”他称这个问题为红超巨星问题(Ref#1, Ref#2)。 Smartt怀疑只有低质量的红超巨星会爆炸。 初始质量超过17倍太阳的更大质量的红超巨星向内塌缩,它们的核心悄然塌缩成黑洞。

2008年消失的那个红超巨星就是一个例子,Smartt说。 这颗恒星位于距地球2500万光年的一个活跃螺旋星系NGC6946中,该星系以杂散的超新星而著名。 从1917年到2017年间,观察到了10起超新星,比任何别的星系都多。但是那些没有爆炸的超新星可能更具意义。

那时没有人留意恒星的消失。但在2014年,哥伦布俄亥俄州立大学的Christopher Kochanek和研究生Jill Gerke检索我们邻近星系的照片,近到可以分辨出单独的恒星。 这些天文学家知道红巨星问题,以及理论学家模拟恒星爆炸的困难。 星系的照片捕捉到了100万个红超巨星,每一个都是未来潜在的超新星。 通过比较不同年份的照片,天文学家希望发现完全相反的情况: 一个红超巨星通过形成一个黑洞而从视线中消失了。

“非常漂亮和清楚”对这起2008事件Gerke说“你可以看见星星在那儿,然后你可以清晰的看到,至少在我们的数据里,它不再可见了。” 这仍然是唯一的一次没有超新星爆炸就从天空中消失的恒星。(Ref#3)

没有参与发现的Woosley认为证据可信。 虽然有可能恒星躲藏在厚厚的尘埃云之后闪耀,但星光会加热尘埃,让其辐射出强烈的红外光,但尚没有人观测到红外光(Ref#4)。 恒星死亡的最终确认工作需要由James Webb太空望远镜来完成,NASA计划在2021年把这架大型红外探测设备发射升空。

天文学家很久以来一直认为Betelgeuse(猎户座α 参宿四)猎户座顶部的红色星星某天会以灿烂的超新星爆炸
但新的研究提出这种爆炸有可能永远不会发生。
图片来源: Shutterstock/Genevieve de Messieres.

碳的不同

2019年俄亥俄州立大学的Tuguldur Sukhbold提出了一个解释,为什么高质量的红超巨星不像低质量的红超巨星那样爆炸: “本质上这是由碳在大质量恒星中的燃烧方式决定的”,他说(Ref#5)。 他的工作建立在四分之一世纪以前的认知之上,即大质量恒星的初始质量是大于还是小于一定质量,碳的燃烧方式有所不同。

在生命的大部分时间里,大质量恒星像太阳一样在核心把氢转化为氦。当氢耗尽时,氦被点燃生成碳和氧。然后氦也耗尽了,恒星将其巨大 的重量压向它的碳,将它转化为氖、钠和镁。

但是碳带来了一个麻烦。它在如此高的温度下燃烧,高热量产生出高能正反光子对,它们通常会相互湮灭同时产生出中微子和反中微子,并离开恒星窃走能量,完全不和引力对抗。由于中微子 的损失,一旦碳点燃,恒星的寿命不会超过一千年。接下来,恒星继续燃烧更重的燃料直到耗尽一切。最后的尽头是聚变成铁,因为铁核是所有原子核中最稳定的, 恒星不能再从核聚变中掘取更多的能量。再没有什么可以支撑它,核心崩塌了。

但是恒星究竟是爆炸还是向内塌缩主要取决于中心碳的燃烧方式,Sukhbold提出。 他说“燃烧方式改变了核心的最终结构” “结构决定了最终会发生什么?爆炸还是不会爆炸。”在低质量的红超巨星中,碳以对流方式燃烧:燃烧区域起泡沸腾,上升下降的炽热气体远离了核心。 对流还为中心区域补充了新鲜的碳燃料,从而延长了恒星演化的这一阶段,并导致巨大的中微子损失。 这些低质量红超巨星有缠绕在一起的紧密核心。当核心崩塌形成称为中子星的致密星体时,在超新星爆炸中炸飞了恒星外层。

但在高质量红超巨量中,碳并不以对流方式燃烧;这限制了中微子的损失,并导致核心被延伸出的紧密物质包围。 当核心塌缩时,冲击波撞向上层的紧密物质,阻止了爆炸。和形成一颗超新星不同,恒星向内塌缩,形成一个黑洞。

两种命运的分界线?大约19倍太阳初始质量,Sukhbold的计算距Smartt观测到的17倍太阳初始质量不远。考虑到观测和理论的不确定性,Sukhbold认为这没有冲突。 事实上,他认为真正的分界线可以是在16到20倍太阳质量之间的任何位置。更进一步,理论认为应该会有一些例外:少数低于这个质量的恒星也会向内塌缩,同样也有少量高于 这个质量的恒会爆炸。

这个新的想法不仅改变了我们对大质量恒星生死的看法,也改变了恒星把化学产物抛洒入星系的效率计算。在大质量恒星中,中子缓慢的把恒星产生的铁核转化为重元素,如钇和锆。 但是如果恒星从没有爆炸,这些元素落入黑洞,从而剥夺了星系中恒星的化学产出。

一声巨响还是呜咽?

地球夜空中最明亮的红超巨星是Betelgeuse(猎户座α 参宿四),猎户座中令人炫目的红宝石。 猎户座中的其它亮星都是蓝色的,只有Betelgeuse变红了,按传统观念,这表明它即将爆炸。

还是会?“我们不知道Betelgeuse会怎么样,或者什么时候会”Woosley说。

关键因素是恒星的初始质量。没有人知道Betelgeuse的初始质量是多少,部分是因为它的距离不确定。 这就导致了它的光度不确定,天文学家需要通过光度来推断质量。 宾夕法尼亚州费城郊外维拉诺瓦大学的天文学家Edward Guinan长期以来一直观测这颗星星,推断它的初始质量介于8到18倍太阳质量之间。因此Betelgeuse最终有可能 以超新星爆炸,在这种情况下,它将比我们天空中的金星更耀眼。但如果初始质量接近Guina估计的上限,大约18倍太阳质量,Betelgeuse有可能向内塌缩。

向内塌缩可能不会那么壮观,NGC6946中失败的超新星可能预示了我们所能看到的,那颗恒星死亡并变成一个黑洞时,它的外壳轻轻的脱落下来,变亮5倍。 如果Betelgeuse类似,它的亮度会增加但决不会超过Sirius(大犬座α 天狼星),夜空中最明亮的星星。然后Betelgeuse会消失,在猎户座中留下一个真正的洞。

与此同时,Kochanek的团队正在搜寻第2颗失败的超新星。 他开玩笑道:“这最好是一个终身制项目”。 从2008年到2019年,他的团队监测了距地球3500万光年内的27个星系,在那些星系中,8颗大质量恒星超新星爆炸而1颗失败。

他认为,这只不过是一个时间问题,终究会有一天看到另一颗红超巨星轻轻一闪变成一个新生的黑洞,照亮大质量恒星仍然神秘的一生。

参考

  1. S. J. Smartt, Progenitors of core-collapse supernovae. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 47, 63–106 (2009). ADS: https://ui.adsabs.harvard.edu/#abs/2009ARA%26A..47...63S/abstract
  2. S. J. Smartt, Observational constraints on the progenitors of core-collapse supernovae: The case for missing high-mass stars. Publ. Astron. Soc. Aust. 32, e016 (2015).ADS: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2015PASA...32...16S/abstract
  3. J. R. Gerke, C. S. Kochanek, K. Z. Stanek, The search for failed supernovae with the Large Binocular Telescope: First candidates. Mon. Not. R. Astron. Soc. 450, 3289–3305 (2015).ADS: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2015MNRAS.450.3289G/abstract
  4. S. M. Adams et al., The search for failed supernovae with the Large Binocular Telescope: Confirmation of a disappearing star. Mon. Not. R. Astron. Soc. 468, 4968–4981 (2017).ADS: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017MNRAS.468.4968A/abstract
  5. T. Sukhbold, S. Adams, (2019) Missing red supergiants and carbon burning. arXiv. https://arxiv.org/abs/1905.00474.
A massive star dies without a bang, revealing the sensitive nature of supernovae