較大質量的恆星是如何爆炸的?研究稱或是含鈦的氣泡引發強烈爆炸

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據外媒報道,天文學家利用錢德拉X射線天文台探測到超新星殘骸仙后座A(Cas A)中的一種重要的鈦。據預測,這種鈦會在大質量恆星的「燃料耗盡」並內爆之後,在驅動其爆炸的氣泡中形成。對這種鈦的探測為計算機模擬中研究的一類超新星爆炸提供了強有力的支持。該結果使用了2000年至2018年期間對仙后座A進行的為期18天的錢德拉觀測。這個新結果可能是了解一些巨大的恆星如何爆炸的重要一步。

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這張新圖片中的不同顏色主要代表錢德拉在仙后座A中檢測到的元素:鐵(橙色)、氧(紫色)以及與鎂相比的硅的數量(綠色)。美國宇航局的NuSTAR望遠鏡之前在更高的X射線能量下探測到的鈦(淺藍色)也被顯示出來。這些錢德拉和NuSTAR的X射線數據被疊加在哈勃太空望遠鏡(黃色)的光照圖像上。

當一顆大質量恆星的核動力源耗盡時,其中心會在重力作用下坍縮,並形成一個叫做中子星的緻密恆星核心,或者更少的時候,形成一個黑洞。當中子星產生時,坍塌的大質量恆星的內部會從恆星核心的表面反彈出來,使內爆發生逆轉。

來自這一災難性事件的熱量產生了一個衝擊波–類似於超音速噴氣機的音爆–在註定要毀滅的恆星的其餘部分向外擴散,在途中通過核反應產生新元素。然而,在這個過程的許多計算機模型中,能量很快就損失了,衝擊波向外的旅程停頓下來,阻止了超新星的爆炸。

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最近的三維計算機模擬表明,中微子–質量非常低的亞原子粒子–在創造中子星的過程中驅動氣泡,加速離開爆炸的中心。這些氣泡繼續推動衝擊波前進,引發超新星爆炸。

這項新的錢德拉研究報告說,指向遠離爆炸地點的手指狀結構,在右下方,含有鈦和鉻,與看到的橙色的鐵碎片相吻合。錢德拉發現的鈦是一種穩定的同位素,這意味著它的原子所含的中子數量意味著它不會通過放射性改變成另一種更輕的元素。之前用NuSTAR在Cas A中探測到的鈦是一種不穩定的同位素,它在大約60年的時間範圍內轉變為鈧,然後是鈣。圖中沒有顯示錢德拉發現的穩定鈦同位素。

在核反應中產生鉻和穩定鈦所需的條件,如溫度和密度,與驅動爆炸的三維模擬中的氣泡相匹配。

這項新研究有力地支持了中微子驅動爆炸的觀點,以解釋至少一些超新星。

仙后座A位於我們的銀河系中,距離地球約11000光年,它是銀河系內中已知的最年輕的超新星遺迹之一,年齡約為350年。天文學家使用了2000年至2018年期間對仙后座A進行的超過150萬秒,或超過18天的錢德拉觀測時間來進行這項研究。

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描述這些結果的論文發表在2021年4月22日的《自然》雜誌上。這篇論文的作者分別是Toshiki Sato(日本立教大學)、Keiichi Maeda(日本京都大學)、Shigehiro Nagataki(日本理化學研究所先鋒研究小組)、Takashi Yoshida(京都大學)、Brian Grefenstette(加州理工學院)、Brian J.Williams(NASA戈達德太空飛行中心),Hideyuki Umeda(東京大學),Masaomi Ono(日本理化學研究所先鋒研究小組),Jack Hughes(新澤西州立羅格斯大學)。

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