第三类超新星来了，六大指标来帮忙，揭秘蟹状星云诞生

电子捕获超新星的存在可以解释蟹状星云。

（图片来源：NASA/STSCI/J.Depasquale；Las Cumbres天文台）

科学家们找到了这种难以捉摸的超新星存在的证据，能够解释发生在1000年前的一次明亮的大爆炸以及蟹状星云的产生。

超新星爆炸出现在一颗恒星的毁灭时，足以照亮了星系内的全部恒星，使它们在宇宙的另一端可见。数十年来，科学家们总结了两种超新星爆炸的类型—铁核坍缩超新星、热核超新星。质量在10倍太阳之上的恒星，在燃尽了核燃料时向内坍缩，使得外层发生爆炸并留下了中子星或者黑洞。而小于8倍太阳质量的恒星不断燃烧，留下了致密的灰核也就是白矮星，这些残余物从伴星拉取燃料直至引发热核爆炸。

一种新类型的超新星爆炸

图注：超渐近巨支恒星(左)和它由氧(O)，氖(Ne)和镁(Mg)组成的内核(右)。这些恒星的质量约为太阳的8-10倍，可以发生所谓的电子捕获超新星爆炸。 (图片来源:S. Wilkinson; 拉斯维加斯山峰天文台)

8-10倍太阳质量的恒星在理论上会以一种新类型发生爆炸。电子捕获超新星处于其他两类超新星的边界上，在其核心由氧、氖和镁组成时停止核聚变，它们的质量不足以创造铁，其内部的巨大压力促使氧-氖-镁核心中的一些电子被砸进它们的原子核中，电子间存在排斥力，移除后可以使恒星内压下降，在其自身的重量下弯曲并崩溃，恒星的核心随之坍缩，引发了周围层的爆炸，留下了一颗略大于太阳质量的中子星。

1980年，东京大学的天体物理学家野本健一和他的同事首次提出了这种“电子捕获”超新星的理论。在过去的几十年里，科学家们对电子捕获超新星及前身星中该探究什么进行了预测，但他们从未证实过一颗恒星会以这种方式爆炸。

值得注意的是电子捕获超新星或许可以解决一个一千年谜题—在公元1054年发生了超新星爆炸，中国和日本史书都有相关记录，爆炸照亮了天空，持续23天白昼可见，两年夜晚可见。此前研究虽已将SN 1054定义为电子捕获超新星，但奈何它发生在一千年前，有着极大的不可知性，但现在我们可以证实蟹状星云就从它的遗骸中诞生了。

图注：令人叹为观止的蟹状星云

“超新星SN1054爆炸是一个壮观的场面，是被全人类共同目睹的，并将观测记录留给了一千年后的我们。” 该研究的合著者、来自加州大学圣巴巴拉分校、拉斯康布雷斯天文台的天体物理学家安迪·豪厄尔说。

现在，2018年首次探测到的爆炸恒星可能是电子捕获超新星的第一个强有力的例子。“这对于我们理解恒星演化和超新星物理特性具有里程碑意义，我们可以推测哪些恒星会发生爆炸而哪些不会。” 该研究的主要作者、加州大学圣巴巴拉分校和拉斯康布雷斯天文台的天体物理学家平松大一告诉Space.com。

令人难以捉摸的超新星被发现

图注：哈勃太空望远镜和地面望远镜合成的蟹状星云，该星云是1054年发现的一颗明亮超新星的遗迹。 (图片来源:NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF和G. Dubner(布宜诺斯艾利斯大学))

2018年3月日本的天文爱好者板垣公一在爆炸发生三小时后观测到了SN 2018zd。在这颗超新星被发现后不久，研究的合著者、帕萨迪纳加州理工学院的高级研究科学家斯凯勒·范·戴克，获得了哈勃望远镜拍摄的超新星图像。通过比较哈勃望远镜此前存档的该区域图像，辨认出了该星的前身星处在离地球3100万光年的NGC 2146星系。识别了SN 2018zd的前身星身份有助于科学家们将这颗恒星和超新星爆炸，与几十年来总结的电子捕获超新星模型做对比。

“我非常激动电子捕获超新星终于被发现了，我和我的同事们此前就预测了它的存在，” 目前这项研究的合著者之一野本在声明中说，“这是观测与理论结合的最精彩的实例！”

基于野本和其他天文学家的模型，电子捕获超新星的前身星主要有六个判别标准：

1.具有八到十倍的太阳质量，候选恒星包括超渐进巨支恒星—古老的膨胀红巨星。

2.在爆炸前失去大部分质量

3.喷射出的物质大部分以氦、碳、氮元素存在，仅有少部分氧元素。“这与恒星生命周期的复杂核聚变反应息息相关，以及恒星外层扰动有关—恒星深处的元素被搅动到表层”，豪厄尔说到，“在爆炸前的外层结构是轻元素在重元素外侧，最重的氧元素在深层。”

4.爆炸强度较其他两种超新星弱，喷射气体的动能是其他超新星爆炸的十分之一

5.具有较少的放射性余波。以超新星爆炸中的主要放射性元素镍为例，电子捕获超新星产生的镍元素只有常规铁核坍缩的十分之一，热核超新星的百分之一。

6.前身星在内核中含有大量富中子元素。

科学家们发现SN 2018zd和它的前身星同这一假定吻合。该前身星之前是古老的膨胀红巨星，在爆炸前减掉了大部分质量，环绕气体与预测组分一致，爆炸威力较弱，产生了较少的放射性镍，同时内核中含有大量像镍一般的富中子元素。

这是其他候选电子捕获超新星未具备的关键部分之一——它们从未有过一颗可行的、经鉴定的前身星，”菲利彭科在一份声明中说。

研究人员已经查阅了所有发布的超新星数据，发现一些超新星具备了上述的部分指标，但仅有SN 2018zd的前身星具备全部指标。

“我们开始想‘为什么这么奇怪呢？’”，平松在一份声明中说，“我们分析了SN 2018zd的每一个方面，并意识到所有这些都可以用电子捕获方案来解释。”

新发现表明SN 2018zd与SN 1054相似，特别是在长辉光方面。增加了中世纪发生的实际是电子捕获超新星爆炸的论证。

电子捕获超新星解释

电子捕获超新星通常具有长余辉，因为前身星在爆炸前失去了大部分质量，喷射出的气体与早前射出的物质相碰撞，发出辉光。因为没有更多的放射性镍产生，电子捕获超新星在为期几个月的停滞期后快速黯淡下来。所以它们最初比标准的核坍缩超新星明亮，但几个月后亮度不及其他超新星。

“后一个方面是四十年前对蟹状超新星进行初步分析时没有考虑到的，”菲利彭科说，“我们的工作为蟹状星云由电子捕获超新星产生的想法提供了更进一步、更令人信服的支撑。”更好的理论模型仍需完善来解释电子捕获超新星如何起源和进化的。

“现存的一个问题是，由于物理过程复杂，理论模型是不确定的”，豪厄尔说到。他作为全球超新星工程的领导人，集合了各国的科学家团队使用地球内及太空望远镜观测超新星。“这一将提供急需的可观测性指导解释自然中的解决方案”，他进一步解释道。

目前对于夜空的大规模观测可以捕捉到更多电子捕获超新星的实例，菲利彭科说到。

“天文学家也应该重新评估更老的超新星，研究他们是否来源于电子捕获现象”，豪厄尔补充道，“许多超新星也表现出了SN 2018zd 的一些特征，但是不够明显，是时候再回头重新审视以前的观测数据了。”

总的来说，上述研究工作能更好地了解我们世界和我们自身的诞生过程。“试想一下，你身体质量72%的物质组成产生于超新星爆炸中”，豪厄尔说到，“理解超新星是如何制造和喷射元素到宇宙中确实有助于我们了解自己”。

相关知识

蟹状星云（Crab Nebula， 编号M1、NGC 1952或金牛座 A）是首颗被确认为历史上超新星爆发遗迹的天体。它是银河系英仙臂的一部分，距地球约6,500光年（2,000秒差距），直径达11光年，并以每秒约1,500公里的速度膨胀。该星云由约翰·贝维斯于1731年发现，对应中国、阿拉伯和日本天文学家于公元1054年记录的一次超新星爆发（编号SN 1054，中国称天关客星）。1969年天文学家发现星云的中心是一颗脉冲星，直径约28–30公里，每秒自转30.2次，并发射出从γ射线到无线电波的宽频率范围电磁波。

BY:Charles Q. Choi

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