超新星，是宇宙中最絢麗的“煙火”。

在一項最新的研究中，天文學家發(fā)現了首個令人信服的證據表明，宇宙中存在著一種新型的恒星爆炸——電子俘獲超新星。早在大約40年前，東京大學的Ken’ichi Nomoto等人就提出過關于電子俘獲超新星的理論，但一直以來，天文學家都沒有找到它們真實存在于宇宙中的的例子。

超新星主要分為兩種類型：熱核和鐵核坍縮。熱核超新星是一顆白矮星在雙星系統(tǒng)中獲得了物質后發(fā)生的爆炸，這些白矮星是低質量恒星（約小于8倍太陽質量）在生命結束后遺留下來的致密殘?。昏F核坍縮超新星是當大質量恒星（約大于10倍太陽質量）耗盡核燃料時，其鐵核坍縮，形成黑洞或中子星時產生的。

電子俘獲超新星介于這兩種主要超新星之間。根據理論，它是由大質量的超漸近巨星支（SAGB）恒星爆炸產生。這些恒星的質量在8~10倍太陽質量之間，這樣的質量不足以產生鐵，當它們的核心由氧、氖和鎂構成時，就會停止聚變。一旦耗盡燃料，引力就會擠壓氧-氖-鎂核心中的原子，迫使電子在一個被稱為電子俘獲的過程中進入原子核，導致恒星的核心在自身重量的作用下發(fā)生彎曲和坍縮，從而形成電子俘獲超新星。但對于這些預測，科學家一直缺乏證據證明。

質量約為太陽質量8-10倍的恒星的最終狀態(tài)。當核心變得足夠致密時，氖和鎂開始吞噬電子，降低核心壓力，引發(fā)坍縮。| 圖片來源：S. WILKINSON; LAS CUMBRES OBSERVATORY

現在，一個國際研究團隊用兩年的時間，收集了超新星SN 2018zd的詳細數據，并確認了這就是第三種超新星。他們將這一發(fā)現發(fā)表在《自然-天文》雜志上，為與電子俘獲超新星相關的理論提供了首個證據。

在過去的幾十年里，理論家已經對電子俘獲超新星以及它們的SAGB恒星前身天體做了很多預測。比如他們認為這類恒星應該質量很大；它們在爆炸前會失去很多質量；在即將死亡時，它們應該有著不同尋常的化學成分。此外，電子俘獲超新星應該很弱，只有很少的放射性沉降物，并且其核心應該有富含中子的元素。

終于，在這次的新研究中，研究人員通過全球范圍內的數十個望遠鏡，在超新星SN 2018zd身上發(fā)現了許多不同尋常的特征，其中有的特征是首次出現在超新星上的。

SN 2018zd于2018年3月被天文學家發(fā)現，它位于NGC 2146星系，距離我們大約3100萬光年之遠。研究人員檢查了由哈勃空間望遠鏡拍攝到的爆炸前的圖像，并探測到爆炸發(fā)生之前的前身恒星的樣子。這些觀測結果與最近在銀河系中發(fā)現的另一顆SAGB恒星一致，但與紅超巨星——普通鐵核坍縮超新星的前身天體，有所不同。

他們查閱了所有已發(fā)表過的關于超新星的數據，發(fā)現雖然其中有些也擁有一部分與預測中的電子俘獲超新星相符的特征，但只有SN 2018zd擁有所有相符的特征——它擁有一個SAGB恒星作為前身天體，在爆炸發(fā)生之前有重大的質量損失，它還有不同尋常的化學成分，且爆炸微弱，以及很少的放射性和一個富含中子的核心。很明顯，所有的證據都表明，這是一顆電子俘獲超新星。

新發(fā)現還揭示了一些其他超新星所隱藏的奧秘。公元1054年，中國天文學家記載了發(fā)生在銀河系發(fā)生中的超新星爆發(fā)，它非常明亮，乃至天文學家在23天的白天都能看到它的存在；在夜晚，它更是閃耀了將近兩年的時間。這就是超新星SN 1054，它的殘骸最終形成了著名的蟹狀星云。

蟹狀星云的合成圖像。| 圖片來源：NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF AND G. DUBNER (UNIVERSITY OF BUENOS AIRES)

在此之前，SN 1054是一顆用于研究電子俘獲超新星的最佳候選，它的許多方面都已經被詳細研究過，但其狀態(tài)還具有一定的不確定性，部分原因是這次爆炸發(fā)生在近一千年前。新的結果增強了這顆歷史上著名超新星是一顆電子俘獲超新星的可能性，也解釋了為什么它比模型中要更亮。因為正如在SN 2018zd所看到的那樣，其亮度可能由于超新星噴出物與原始恒星釋放的物質發(fā)生碰撞而得到了加強。

論文的第一作者是加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的Daichi Hiramatsu，對于此次的發(fā)現，他表示：“對我們所有人來說，這是一個‘頓悟的時刻’，我們終于可以完成40年前的理論閉環(huán)。對我個人來說，我的天文學生涯是從我在高中圖書館中看到那些令人驚嘆的宇宙圖片開始的，其中一個就是哈勃空間望遠鏡拍攝到的蟹狀星云?！?/span>

作為電子俘獲超新星理論的提出者之一，Nomoto為這一發(fā)現感到興奮。他表示：“我很高興這個電子俘獲超新星終于被發(fā)現了，我的同事和我曾在40年前預測過它的存在，而且它與蟹狀星云有關。我非常感謝為獲得這些觀測所付出的巨大努力。這是觀測和理論結合的一個極佳例子?！?/span>

天文學家相信，這顆超新星還將幫助我們解碼更多有關于超新星的秘密。并且在這個過程中，我們將獲取更多與之有關的基本物理學信息，比如一些中子星是如何形成的，極端恒星是如何生存和死亡的，以及構成我們的元素是如何產生并散布在宇宙中的。

彩蛋

我們已經知道，大質量恒星在超新星爆發(fā)后，其核心會坍縮成致密天體黑洞或中子星。當這些致密天體相互靠近、并合時，會攪亂時空，產生以光速傳播的引力波。在過去的幾年里，研究人員已經探測到了由雙黑洞并合和雙中子星并合產生的引力波。昨天，在歷經了約18個月的分析后，天文學家宣布他們首次發(fā)現由黑洞吞噬中子星產生的引力波，而且是兩個這樣的引力波事件。

#創(chuàng)作團隊：

文：不二北斗

#原文來源：

https://www.news.ucsb.edu/2021/020338/goldilocks-supernova

https://cosmosmagazine.com/space/astrophysics/new-type-of-supernova-spotted/

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01384-2

#圖片素材來源：

封面圖：NASA/STSCI/J. DEPASQUALE; LAS CUMBRES OBSERVATORY

引力波：Carl Knox/OzGrav/Swinburne Univ.

來源：原理

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