史前巨人:被时间遗忘的恒星

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“近距超新星工厂”的目的是寻找遥远的恒星爆发。它的计算机会自动把拍摄到的图像转发到数据服务器以便分析。每年都会有许多遥远的恒星在夜空中爆发,然后慢慢地变暗褪去。
Stuart Clark 文 Shea 编译

当一个微小的光点刺穿美国南加州的天空时,一切都看上去没什么大不了的。只有帕洛马天文台“近距超新星工厂”的机器眼发现了它。

“近距超新星工厂”的目的是寻找遥远的恒星爆发。它的计算机会自动把拍摄到的图像转发到数据服务器以便分析。每年都会有许多遥远的恒星在夜空中爆发,然后慢慢地变暗褪去。

但是,这一个没有。它在变亮。越来越亮。由此也吸引了人们的眼球。

77天后这颗超新星终于抵达了它的亮度峰值。200天之后它依然明亮——而大多数超新星此时早已暗去。只有到了2008年10月,也就是首次发现之后555天,它才变得再也看不见。

而要搞明白这一切则需要花更长的时间。毫无疑问,超新星SN 2007bi是有记载以来最极端的爆发之一。它是如此的剧烈,以至于任何普通恒星死亡的模式都无法与之相符。但很快就明确一点的是,正如它的死亡,它活着的时候也绝非是一颗普通的恒星。

如果这一解释是正确的,这是一颗本不应该存在的恒星。这颗恒星有着惊人的质量,只有在远古的宇宙中才会出现。它是一颗被时间遗忘的恒星。

在帕洛马山顶上有61年历史之久的奥欣望远镜对这颗超新星的余辉进行了长达数月的观测之后才慢慢得出了这一结论。余辉是由放射性元素衰变产生的,而这些放射性元素则来自超新星爆发时失控的核反应。其中关键的过程是放射性镍快速衰变成钴,后者又会衰变成铁并发出γ射线。余辉的亮度和持续的时间可以告诉我们超新星产生了多少这些元素。

史前巨人:被时间遗忘的恒星
[图片说明]:帕洛马山上的奥欣望远镜。版权:Scott Kardel。

把这些观测结果代入到通常的超新星模型就会得出令人震惊的结论。为了确保超新星能如此明亮并且持续如此之久,爆炸必须要产生比平时多10倍的放射性镍——而如此巨大的差异则需要一个合理的解释。

发表在40年前、大部分已经被人遗忘的论文为此提供了线索。在任何大质量恒星的核心,核聚变反应产生的向外的光压会抵御住星体物质的重量,防止恒星向内坍缩。但在质量比太阳大许多倍的恒星中,引力最终会战胜光压,触发核心坍缩型或II型超新星。这是两种常见的超新星类型之一。另一种则是Ia型超新星,它是一颗垂死的白矮星吸积伴星的物质,变得不稳定,引发最终的热核爆炸而导致的。

在以前的论文中,天文学家推测可能存在质量大于200个太阳质量的巨型恒星发生的超新星爆发。在这种情况下,他们计算发现,核聚变最终会使得恒星的核心处于极高的温度,导致光子开始自发地转变成电子和正电子对。这会削减支撑恒星外部物质所需的光压,造成星体坍缩,引发会使得整颗恒星灰飞烟灭的巨大超新星爆发。最终的爆炸会产生远比普通超新星多得多的大量放射性重元素。天文学家将其称为“对不稳定性”超新星。

史前巨人:被时间遗忘的恒星
[图片说明]:对不稳定性超新星概念图。超大质量恒星的核心处于极高的温度,光子会自发地转变成电子和正电子对。这会削减支撑恒星的光压,造成星体坍缩,引发巨大的超新星爆发。

难以置信的闯入者

在此之前还没有观测到过与这一描述相符的超新星爆发,因此它也一直停留在理论家的视野中。直到有天体物理学家开始审视SN 2007bi,他们越是把观测数据和不同的超新星模型进行比较,他们就越相信“对不稳定对性”模型是这个问题的解答。因为只有“对不稳定对性”超新星才能够产生这么多的放射性镍。利用这一模型他们甚至可以计算出这颗爆炸的恒星有多大,结果是一颗质量高达太阳300倍的恒星。

那么问题解决了?一点儿都没有。这一发现却带来了更大的问题:根据我们所有的理论和观测,如此大质量的恒星根本不应该存在。

至少它们不应该存在于今天我们所看到的宇宙中。自从几十年前对不稳定性模型诞生以来,理论和天文观测都显示现代宇宙的组成不会允许如此大质量的恒星形成。被天文学家称为金属——比氢和氦重的所有元素——的大量存在会导致气体云迅速坍缩成“袖珍”恒星。这也正是为什么今天我们所看到的绝大部分恒星质量都还没有太阳大的原因。理论和观测都发现,我们银河系中现代恒星的质量绝对上限大约为150个太阳质量。300个太阳质量的怪物无疑是打破这一局面的入侵者。

但在宇宙刚刚诞生的130亿年前,事情则截然不同。那是一个巨型恒星称雄的年代。那时的宇宙中只漂浮着氢、氦和微量的锂,而且这些元素在引力的作用下坍缩成恒星之前会大量聚集。因此,宇宙中的第一代恒星都极为巨大,动辄就可以达到几百个太阳质量。

史前巨人:被时间遗忘的恒星
[图片说明]:SN 2007bi的实际观测图像。版权:Nearby Supernova Factory。

宇宙化石

这些恒星的寿命极为短暂,仅仅几百万年就会燃烧完巨量的氢。然而它们的死亡却有着非凡的意义。根据理论,这些恒星的爆炸产生了第一批比氢、氦和锂更重的元素。它们为我们今天所见宇宙中的星系、类太阳恒星、行星以及生命提供了原材料。

还从来没有人直接看到过这些远古宇宙的巨人。即便只是为了确认我们自身存在的基础,天文学家们也深切地希望能看上它们一眼。不幸的是,我们不能。就在它们播种下未来宇宙种子的同时,它们也阻断了自己的转世之路。通过临死前为宇宙增加金属,它们也极大地破坏了自身形成所需的条件。到大爆炸后最初的几亿年,金属含量已经高到再也无法形成像它们这样的巨型恒星。而这些史前巨人存在的直接证据则远远超出了我们哪怕是最强大望远镜的视野。

真的如此吗?如果SN 2007bi真是看上去的那样,我们也许已经找到了一个机会,即便不能一窥第一代的巨型恒星,但至少也是和它们很相似的天体。不管怎样,这些大家伙可能也会出现在现代的宇宙中。但怎么可能?

秘密就在于这颗超新星所在的地方——一个距离地球16亿光年不起眼的矮星系。顾名思义,矮星系是“发育不良”的星系。对于一个发育完全的星系,例如我们的银河系,通常都含有数千亿颗恒星,而矮星系只有区区几百万颗。

对遥远宇宙的观测表明,在过去矮星系要比现在普遍得多。天文学家一般都认为,宇宙中形成的第一代星系就是矮星系,而这些矮星系正是构建今天我们所看到的大型星系的“积木”。

天文学家同时也知道,一些矮星系的金属含量仅有太阳的5%~10%,或还不到其总质量的1%。它们的距离相对较近,和我们处于差不多的宇宙年代。而最早的矮星系可能已变得极为稀少。

也就是说,最小的矮星系可能是宇宙早期最原始的材料,保留着当时的组成和状况。究其原因正是它们的小。由于它们的引力比正常星系弱,超新星爆发抛射出的富含金属的物质轻而易举地就能超过那里的逃逸速度,脱离它们。

如果这些矮星系一直保留着宇宙的初始条件,那么很自然地巨型恒星也会在其中形成并死去。如果金属性决定了恒星的大小,那么不需要去往遥远的宇宙你也能找到这些庞然大物。它们可以在任何一个金属含量足够低的矮星系中形成,由此也就有可能会出现在我们的望远镜所能及的地方。这正是超新星SN 2007bi被认为是来自巨型恒星的理由。

发现近距巨型恒星对于恒星科学而言具有重大的意义。我们并没有如我们自己想象的那样了解恒星形成和死亡的过程。因此要想找到一个能和观测结果相符的理论模型其实并不容易。虽然大多数天文学家认为这些巨型恒星最终必定会变成超新星,但它们在宇宙中出现的频率却在和这个解释唱对台戏。为了找到答案,我们需要逐一审视近距的矮星系。

但先等一下。如果这些巨大的活化石一直潜伏在我们的家门口,为什么我们直到现在才发现它们呢?这么巨大的恒星不太可能会被忽视,无论是它们耀眼的有生之年,还是壮观的死亡。然而,除了在1999年出现过一个特别明亮的超新星之外,我们再也没见过任何和SN 2007bi类似的超新星。

也许部分原因是我们一直看错了地方。望远镜的观测时间是极为宝贵的。一个可怜的矮星系中没有多少颗恒星,所以出现超新星概率自然不会很高。于是,天文学家可以理解地把他们的重心都放在了含有大量恒星的巨型星系身上。

史前巨人:被时间遗忘的恒星
[图片说明]:矮星系NGC 6822中仅含有1,000万颗恒星,而银河系中的恒星大约有4千亿颗。版权:ESO。

惊鸿一瞥

随着诸如“近距超新星工厂”这样的快速程控巡天的投入使用,这一局面正在发生改变。这些计划对应该观测哪个区域没有预判,它们的电子眼会关注天空中任何发生变化的东西。这一新的策略已经结出了硕果。天文学家又发现了一些疑似对不稳定性超新星。不过在还没有绝对把握之前,尚不会公之于众。

对于任何尚存的巨型恒星进行直接观测则更为棘手。巨型恒星有着海量的氢和氦燃料储备,因此温度极高,它们所发出的绝大部分辐射都是紫外线,但紫外线在抵达地面的望远镜之前就会被地球大气吸收掉。缺少了紫外线,这些恒星看上去就像是普通的大质量恒星。

由于天文学家传统上都对紫外波段兴趣不大,所以目前还没有通用的空间紫外望远镜。哈勃空间望远镜倒是可以在这个波段上进行观测,但对近距矮星系进行普查意味着数千个小时的观测时间。现在已经有天文学家递交了相关的提案,不过它要和其他40个项目进行竞争。

去年“哈勃”经历了最后一次维修,而大家的目光也都转移到了它的继任者身上。美国宇航局计划于2014年发射詹姆斯·韦布空间望远镜。但这架望远镜并没有紫外观测能力。“哈勃”一旦失灵就意味着天文学家在紫外波段上失明,由此搜寻巨型恒星的工作变得十分紧迫。

事实上,这个出现在2007年4月的超新星为我们提供了一个一窥我们从未见过的宇宙以及宇宙所创造出的第一代恒星的绝妙机会,而这一爆炸真正冲击的则是我们的认识。

[New Scientist 2010年2月15日]

 

内容来自 火流星

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