科學家發現超新星(科學家發現超新星的故事)

科學家發現第三種超新星：或能解開蟹狀星云起源

據外媒報道， 一個國際天文學家小組觀測到第一種新型超新星。這一發現證實了40年前的一個預測，這可能會對恒星的生與死產生新的認識 。這項研究于2021年6月28日發表在《Nature Astronomy》上。

加州大學戴維斯分校物理和天文學教授Stefano Valenti是發現和描述超新星2018zd的團隊成員，他指出：“天文學中的一個主要問題是比較恒星是如何演變和消亡的。由于還存在許多環節缺失，所以這非常令人興奮。”

目前已知的超新星有兩種。當一顆質量是太陽10倍以上的大質量恒星耗盡燃料，其核心坍縮成黑洞或中子星時就會出現核心坍縮超新星。白矮星則是質量達到太陽質量8倍的恒星的殘骸，當它爆炸時會產生熱核超新星。

1980年，東京大學的Ken'ichi Nomoto預測了第三種超新星，稱為電子捕獲超新星。

使大多數恒星在自身引力下免于坍塌的是它們中心核心產生的能量。在一個捕捉電子超新星中，當內核耗盡燃料時，重力會迫使內核中的電子進入它們的原子核進而導致恒星向內部坍縮。

晚期光譜的證據

超新星2018zd是在2018年3月被發現的--約在爆炸后3小時。哈勃太空望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡的檔案圖像顯示，一個模糊的天體可能是爆炸前的恒星。這顆超新星離地球相對較近，在NGC2146星系中距離約3100萬光年。

這個研究小組由Daichi Hiramatsu領導，他是加州大學圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文臺的研究生，在接下來的兩年里其收集了關于這顆超新星的數據。來自加州大學戴維斯分校的天文學家們在爆炸兩年后對這顆超新星進行了光譜分析，這是證明2018zd是一顆電子捕獲超新星的證據之一。

研究人員Azalee Bostoem表示：“我們有一個非常精致、非常完整的數據集，它記錄了（電子捕獲超新星的）興起和衰落。”Yize Dong則補充稱，數據包括來夏威夷凱克天文臺10米望遠鏡收集到的非常晚期的數據。

理論預測，電子捕獲超新星在數年后會顯示出不尋常的恒星化學光譜。

Valenti指出：“我們觀察到的Keck光譜清楚地證明，SN 2018zd是我們認為的最佳電子捕獲超新星。”

最近的光譜數據并不是拼圖的唯一部分。該團隊還瀏覽了所有發表的超新星數據，他們發現雖然一些超新星擁有一些預測電子捕獲超新星的指標，但只有SN 2018zd擁有所有六種指標：一個超漸近巨星支(SAGB)類型的表觀祖星、強超新星前質量損失、不尋常的恒星化學光譜、弱爆炸、小放射性、一個富含中子的核。

“我們一開始問‘這個怪人是什么？’然后我們研究了SN 2018zd的每個方面，并意識到所有這些都可以在電子捕獲場景中得到解釋，”Hiramatsu說道。

解釋蟹狀星云起源

這些新發現還揭示了過去最著名的超新星的一些奧秘。公元1054年，銀河系發生了一顆超新星。根據中國的記錄，它非常明亮，白天可以看到它23天，晚上可以看到它將近兩年。由此產生的遺跡--蟹狀星云--已經被詳細研究過了。它以前是電子捕獲超新星的最佳候選，但這并不確定，部分原因是爆炸發生在近1000年前。新結果增加了蟹狀星云形成事件是一個電子捕獲超新星的信心。

“我很高興這個電子捕獲超新星終于被發現了，我的同事和我曾預測它的存在并認為其跟40年前的蟹狀星云有關。這是觀察和理論結合的一個很好的例子，”Nomoto說道。

天文學家發現新類型的超新星 可能是蟹狀星云的起源

據外媒報道，周一發表在《自然-天文學》上的一份來自一個國際科學家團隊的報告證實了一種以前未見過的恒星爆炸類型。在這一發現之前，人們認為只有兩種類型的超新星：核心塌縮超新星（當一顆大質量恒星耗盡燃料，其核心塌縮成黑洞或中子星時發生）和熱核超新星（當白矮星爆炸時發生）。

然而，自20世紀80年代以來，有人猜測可能存在另一種類型。東京大學的Ken'ichi Nomoto在1980年預測了第三種類型，稱為“電子捕獲超新星”。這指的是超新星因燃料匱乏而產生，然后由重力迫使電子進入核心的原子核--從而自我坍縮。

暗示“電子捕獲超新星”存在的證據涉及巨大的恒星在爆炸前失去許多質量。有關的質量應該具有不尋常的化學成分。超新星之后應該有最小的放射性沉降物，核心應該有富含中子的元素。

對最初在2018年3月檢測到的一顆超新星的光譜分析，為電子捕獲超新星的理論提供了新的證據。被稱為 "超新星2018zd"，有幾個關鍵因素表明它的電子捕獲性質：它在爆炸前顯示了大量的質量損失，具有不尋常的化學成分，產生了微弱的爆炸，顯示出很少的放射性，并且它留下了一個富含中子的核心。

可以理解的是，看到他的理論獲得了重量，Ken'ichi Nomoto對這一發展進行了評論，并為論文做出了貢獻。

“我非常高興，電子捕獲超新星終于被發現了，我和我的同事們在40年前就預測到它的存在，并且與蟹狀星云有聯系。”他說：“這是一個觀察和理論相結合的美妙案例。”

作為超新星 歷史 上最明亮的謎團之一，蟹狀星云的起源長期以來一直沒有得到解釋。據信在公元1054年，銀河系中發生了一次超新星事件。 歷史 記載稱它是如此明亮，以至于在白天可以看到它23天，而在晚上可以看到它將近兩年。現在，它的殘骸被稱為蟹狀星云。

盡管得到了廣泛的研究，但確定該星云是否可能是電子捕獲超新星的結果是很棘手的--主要是因為爆炸發生在近一千年前。然而，有了這個新的超新星發現，相信科學家可以更有信心地宣布蟹狀星云是電子捕獲超新星的結果。

全球超新星項目的負責人、拉斯坎布雷斯天文臺的科學家Andrew Howell博士說：“這顆超新星實際上是在幫助我們解讀來自世界各地文化的千年記錄。它正在幫助我們把我們不完全了解的一件事，即蟹狀星云，與我們有難以置信的現代記錄的另一件事，即這顆超新星聯系起來。”

“在這個過程中，它正在教給我們基本的物理學知識：一些中子星是如何被制造出來的，極端的恒星是如何生存和死亡的，以及關于我們所組成的元素是如何被創造和散布在宇宙中的。”

宇宙探秘：這10個人類觀測到的超新星，愛好天文的你知道幾個？

一顆超新星所輻射的能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相媲美。恒星通過爆炸會將其大部分甚至幾乎所有物質以可高至十分之一光速的速度向外拋散，并向周圍的星際物質輻射激波。這種激波會導致形成一個膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構，這被稱作超新星遺跡。以下是人類所觀測到的10大超新星。

（1）遠古超新星

2009年，美國加利福尼亞大學科學家杰夫-庫克在研究恒星死亡情景時，在觀測波譜的遠端則發現了遠古超新星大規模爆炸的跡象。庫克研究團隊于是利用圖像層疊技術來檢測恒星光線的閃爍，共發現兩顆遠古超新星，兩顆超新星年齡大約都是110億年。

（2）年輕的超新星(G1.90.3)

我們在討論最近幾年所發現的超新星時，事實上這些超新星爆發都是發生在數百萬年之前。1985年天文學家從G1.90.3超新星中識別出了無線電信號，2007年，美國宇航局錢德拉X射線天文臺從熾熱的粉塵與氣體中搜集到了新的數據。通過對比兩次觀測數據的差異，科學們精確地推算出這顆恒星僅僅爆炸于140年前。

（3）雙子超新星(2007ck和2007co)

比超新星更為強大的是什么？那當然就是兩顆超新星同時爆發。2007年，美國宇航局“雨燕”天文觀測衛星在同一個星系內成功地觀測到兩顆恒星先后發生爆炸。兩顆超新星分別是2007ck和2007co，所在星系為MCG+05-43-16。

（4）最亮超新星(2006gy)

2006年9月18日，天文學家英仙座NGC1260星系中觀測到了有史記錄以來宇宙中規模最大、光線最明亮的超新星爆發，這顆超新星就是2006gy。專家估計這次爆炸比普通超新星爆炸的強度要大100倍，死亡的恒星估計有太陽體積的150倍。

（5）香檳超新星(2003fg)

這里的“香檳超新星”并不是“綠洲樂隊”的那首歌曲，它是編號為2003fg的一顆超亮超新星。2003fg超新星爆發是由于一顆白矮星吸引鄰近一顆即將爆炸的恒星的物質所產生。

（6）1987A超新星

自從1604年發現蛇夫座超新星以后400多年的時間內，人們用肉眼從來沒有看到過一顆超新星。1987年2月23日，一位加拿大天文學家在大麥哲倫星云中發現了一顆5等星，它很快就被證實是一顆超新星，立即在世界各國的天文界引起了轟動。

（7）仙女座S超新星(1885A)

在1885年前，人類所觀測到的為數不多的超新星距地球相對較近，而仙女座S超新星是第一個在銀河系外被發現的超新星，也是仙女座發現的唯一一個超新星。

（8）開普勒超新星(1604)

德國天文學家開普勒是丹麥天文學家第谷-布拉赫的學生，他追隨老師的足跡找尋超新星，他也發現了一顆超新星。1604年10月，開普勒在天空中發現了一個新的發光體。這也是一顆肉眼能夠看得見的超新星，編號為1604。

（9）第谷超新星(1572)

第谷超新星超新星的發現改變了2000年來人們對宇宙的認識。一直以來，人們受亞里士多德的影響，認為太陽、月亮以及星球都在圍繞地球轉。公元1572年，丹麥天文學家第谷-布拉赫在天空中發現了一顆明亮的新星。奇怪的是，這顆星星的運動并沒有與其他星星相關，這表明該星體的位置遠在亞里士多德所認識的空間之外。這一發現不僅僅使得亞里士多德的觀點失效，而且讓第谷的研究達到了一個新的高度。這顆新星就是“第谷超新星”。

（10）客星(185)

人類 歷史 上最早關于超新星爆發的記錄應追溯到公元185年。根據“后漢書”記載，中國古代天文學家早在公元185年就在天空中發現了一顆“客星”。天文學家是這樣描述該超新星的，“呈現出五彩顏色，七個月后逐漸消失于天空之中。”后來，有的天文學家認為這僅僅是一顆彗星，但更多的人堅持認為這是一顆超新星。

科學家發現一顆超新星爆發 內核射出X光最亮

普通超新星（左）和Cow類超新星（右）的對比示意圖。

科學家新發現一顆名為AT2020mrf的“Cow類超新星”，它所釋放出的X射線是至今見過的超新星爆發中最明亮的。這類超新星很罕見，自從2018年發現第一顆以來，這是第五顆。

2018年科學家發現一顆和普通的超新星很不一樣的超新星，它的可見光亮度特別高、持續時間比較短，給它起名AT2018cow超新星。以后類似的超新星就被稱為“Cow類超新星”。Cow是當時隨機抽取的字母組成，并沒有特別的意思。

最近（1月9 13日）在網上舉行的美國天文學會第239屆會議上，加州理工學院（Caltech）的姚雨寒（Yuhan Yao，音譯）介紹說，一顆巨型恒星爆炸后，會變成一個黑洞或是留下一顆中子星殘骸。多數情況下它們被爆炸產生的物質包裹著，相對來說不活躍。但是“Cow類超新星”的內核非常活躍，沒什么物質遮擋，里面緊湊的內核放射出高能X射線。

由于沒有物質的遮擋，姚雨寒說：“我們能看到爆炸物的中心，從而直接見證黑洞和中子星的誕生。”

AT2018cow的發現讓科學家很震驚。它發出的可見光亮度是普通超新星的10倍，減弱的速度也更快。同時它也發出強度變化巨大的X射線。

“Cow類超新星”還有一個不一樣的特點是，它們在爆炸之前先拋出大量物質，爆炸后這些物質被點亮。恒星爆炸時產生的沖擊波穿過這些物質的時候，又會產生射電波和毫米波。

研究稱，剛發現超新星AT2020mrf的時候，其X射線強度是AT2018cow剛發現時的20倍。一年后，它的強度是AT2018cow在其發現一年后強度的200倍。

姚雨寒說：“我們剛看到數據的時候都不敢相信。我們檢查了數據好幾次，這才認定這是至今為止見到的放出最強X射線的Cow超新星。”

研究者表示，超新星AT2020mrf殘骸里面的內核，一定是持續發出X射線的能量來源。“它所放出的大量能量和強度快速變化的X射線，證明這顆超新星殘骸的內核是一個活躍的黑洞或是一顆快速自轉的中子星，也叫磁星。我們仍不明白為什么‘Cow類超新星’的內核會如此活躍，可能與這種超新星的前身恒星的某種特點相關。”

因為這顆新發現的AT2020mrf又有著與其它四顆“Cow類超新星”不一樣的特點，姚雨寒說，這說明這類超新星的特點比以前所知的更為廣泛。“找到更多這種類型的超新星，有助于我們進一步確定它們的能量來源。”

科學家發現的新型恒星爆炸有助于揭開一個千年謎團

據外媒報道，特拉維夫大學雷蒙德和貝弗利-薩克雷精確科學學院的研究員Iair Arcavi博士參與了一項研究，發現了一種新型的恒星爆炸--電子捕獲超新星。雖然科學家在40年前已經提出這種理論，但現實世界的例子卻一直難以捉摸。 這種超新星產生于質量為太陽8-9倍的恒星的爆炸。這一發現也為公元1054年的超新星的千年之謎提供了新的線索，該超新星在最終成為蟹狀星云之前被古代天文學家看到。

超新星是一顆恒星在兩種相反的力量之間突然失衡后的爆炸，這兩種力量在恒星的一生中塑造了它。重力試圖收縮每一顆恒星。例如，我們的太陽通過其核心的核聚變來平衡這種力量，核聚變產生的壓力與引力相反。只要有足夠的核聚變，引力就無法使恒星坍塌。然而，最終，核聚變將停止，就像 汽車 中的燃油耗盡一樣，恒星將崩潰。對于像太陽這樣的恒星，塌陷的核心被稱為白矮星。白矮星中的這種物質非常密集，電子之間的量子力阻止了進一步坍縮。

然而，對于比我們太陽質量大10倍的恒星來說，電子量子力不足以阻止引力，核心繼續坍縮，直到變成中子星或黑洞，并伴隨著巨大的爆炸。在中等質量的范圍內，電子被擠壓（或者更準確地說，被捕獲）到原子核上。這就消除了電子量子力，并導致恒星坍縮，然后爆炸。

從 歷史 上看，有兩種主要的超新星類型。一種是熱核超新星--白矮星在雙星系統中獲得物質后的爆炸。這些白矮星是低質量恒星（質量不超過太陽8倍的恒星）到達生命終點后留下的密集灰核。另一種主要的超新星類型是核心塌縮超新星，即一顆大質量的恒星--超過太陽質量的大約10倍--耗盡了核燃料并使其核心塌縮，形成一個黑洞或中子星。理論工作表明，電子捕獲超新星將發生在這兩類超新星的邊界上。

這是東京大學的Ken'ichi Nomoto等人在1980年代提出的理論。幾十年來，理論家們已經制定了在電子捕獲超新星中要尋找的東西的預測。恒星在爆炸前應該失去大量特定成分的質量，而超新星本身應該相對較弱，幾乎沒有放射性物質，并產生富含中子的元素。

雖然過去發現的一些超新星有一些預測為電子捕獲超新星的指標，但只有SN2018zd擁有全部六個指標--一顆符合預期質量范圍的原生星、強烈的超新星前質量損失、不尋常的化學成分、微弱的爆炸、少量放射性和富含中子的物質。"領導這項研究的加州圣塔芭芭拉分校和拉斯坎布雷斯天文臺的Daichi Hiramatsu說：“我們首先問‘這個怪人是什么’？然后我們研究了SN 2018zd的每一個方面，并意識到所有這些都可以在電子捕獲的情況下得到解釋。”

這些新發現也有助于解開過去最著名的超新星之一的一些謎團。公元1054年，在我們的銀河系發生了一次超新星事件，根據中國和日本的記錄，它是如此的明亮，以至于在白天可以看到它。由此產生的殘余物，蟹狀星云，已經被研究得非常詳細，并被發現有一個不尋常的成分。它以前是電子捕獲超新星的最佳候選者，但這是不確定的，部分原因是爆炸發生在近一千年前。新的結果增加了 歷史 性的1054年超新星是一個電子俘獲超新星的信心。

Arcavi博士說：“令人驚訝的是，我們可以用現代儀器來揭示宇宙中的 歷史 事件。今天，隨著機器人望遠鏡以前所未有的效率掃描天空，我們可以發現越來越多的罕見事件，這些事件對于理解自然規律至關重要，而不必在一個事件和下一個事件之間等待1000年。”

科學家發現一種新型超新星：電子捕獲超新星

超新星是一種比新星爆炸還要猛烈的星球大爆炸，一般都會出現在大質量的恒星或者是白矮星上，總的來說，超新星分為兩種類型，一種是 熱核超新星 ：一般是雙星系統中的白矮星（白矮星是由小于8倍太陽質量的恒星爆發留下的核心殘骸）在獲得伴星的物質后，當白矮星質量達到其質量上限的時候，就會發生熱核超新星爆發；另外一種是 核心坍縮型超新星 ：其主體是一顆大質量恒星（一般質量達到太陽質量的10倍以上），這樣的大質量恒星在其生命末期，因為核燃料耗盡，核心就會發生坍縮，從而形成中子星或者是黑洞，引發超新星爆發。

但是在40年前，其實科學家還推測出一種理論上的超新星類型，這就是電子捕獲超新星。一般來說，電子捕獲超新星的原始恒星質量大約相當于8~9倍太陽質量，由此可見，要想形成電子捕獲超新星，對原始恒星具有比較苛刻的質量要求。

那么這種電子捕獲超新星具有哪些特征呢？讓它們能夠和其他兩類超新星爆發區分開來。

一顆正常生命周期中的恒星上具有兩個對立的力量，分別是引力和核聚變產生的輻射壓力。正是因為這兩種力量的平衡，才導致恒星不至于被引力所壓垮坍縮。

但是當恒星進入到它的生命末期的時候，核心的核聚變就會變弱乃至于是停止，這個時候引力就會大于輻射壓力，從而導致恒星核心發生坍縮，像太陽大小的就會形成白矮星，同時還會拋掉外層物質，形成超新星爆炸。白矮星的物質非常致密，以至于電子之間的量子力可以阻止白矮星進一步坍縮，從而達成新的平衡，維持白矮星的穩定存在。

而對于質量大約10倍太陽質量的恒星來說，它們的質量更大，其核心核聚變能夠一直產生到鐵元素出現，當發生超新星爆發的時候，其內部的電子量子力并不足以抵擋引力，所以核心會繼續坍縮，直到變成中子星或者是黑洞。

能夠發生電子捕獲超新星爆炸的恒星質量介于8~9個太陽質量，這意味著其還不足以形成中子星和黑洞，其核心形成的元素只能是氧元素、鎂元素之類的元素，無法合成鐵元素，更加不會形成一些具有發射性的重元素。當電子捕獲超新星形成的時候，有一些電子會被砸進原子核中，所以電子捕獲超新星會形成富含中子的同位素，也正是因為這種電子俘獲的特征，所以這類超新星就被命名為電子捕獲超新星。

科學家總結了電子捕獲超新星的六個指標，分別是：質量為8~9個太陽質量的恒星、劇烈的核聚變導致恒星質量的損失比、核聚變產生的不尋常的特定元素、爆炸的時候比較弱、放射性重元素比較少、富含中子的同位素。

雖然之前科學家也觀測到了一些疑似電子捕獲超新星，但是這些疑似案例中總會有一些指標不符合電子捕獲超新星的要求。不過現在科學家在3100萬光年外的NGC 2146中發現了一顆被命名為SN2018zd超新星，它完全符合電子捕獲超新星的六項指標，屬于第一顆被確認的電子捕獲超新星。