科学家探测到超新星残骸仙后座A中重要的钛元素

2021年05月04日 12:07 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

科学家们近日探测到超新星残骸仙后座A中的一种重要的钛。这一发现是通过美国宇航局的钱德拉X射线天文台发现的,它可能是准确确定一些巨型恒星如何爆炸的一个重要步骤。这项工作是基于钱德拉对一颗名为仙后座A(Cas A)的超新星遗迹的观测,它位于我们的银河系中,距离地球约11000光年。这是已知最年轻的超新星遗迹之一,其年龄约为350年。

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多年来,科学家们一直在努力了解大质量恒星--那些质量超过太阳10倍的恒星--是如何在“耗尽燃料”时爆炸的。这一结果提供了一个宝贵的新线索。

日本立教大学的Toshiki Sato说:"科学家们认为,我们日常生活中使用的大部分钛--比如电子产品或珠宝--是在大质量恒星的爆炸中产生的,"他领导了刊登在《自然》杂志上的这项研究。"然而,直到现在,科学家们还从来没有能够捕捉到稳定的钛刚刚被制造出来的那一刻。"

当一颗大质量恒星的核动力源耗尽时,中心会在重力作用下坍缩,并形成一个被称为中子星的密集恒星核心,或者更少的时候,形成一个黑洞。当中子星产生时,坍塌的大质量恒星的内部会从恒星核心的表面反弹出来,使内爆发生逆转。

来自这一灾难性事件的热量产生了一个冲击波--类似于超音速喷气机的音爆--在注定要毁灭的恒星的其余部分向外扩散,在途中通过核反应产生新元素。然而,在这个过程的许多计算机模型中,能量很快就损失了,冲击波向外的旅程停顿下来,阻止了超新星的爆炸。

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最近的三维计算机模拟表明,中微子--质量非常低的亚原子粒子--在创造中子星的过程中发挥了关键作用,驱动“气泡”加速离开中子星。这些“气泡”继续推动冲击波前进,以触发超新星爆炸。

通过对仙后座A的新研究,研究小组发现了这种中微子驱动的爆炸的有力证据。在钱德拉数据中,他们发现指向远离爆炸点的指状结构含有钛和铬,与之前用钱德拉探测到的铁碎片相吻合。在核反应中产生这些元素所需的条件,如温度和密度,与驱动爆炸的模拟中的气泡相符。

由钱德拉在仙后座A中发现的、由这些模拟预测的钛是一种稳定的同位素,这意味着其原子所含的中子数量意味着它不会因放射性而变成另一种更轻的元素。此前,天文学家曾使用美国宇航局的NuSTAR望远镜在仙后座A的不同位置发现了一种不稳定的钛同位素。每隔60年,这种钛同位素的一半左右会转变为钪,然后是钙。

"我们以前从未在超新星遗迹中看到过这种钛泡的特征,这个结果只有通过钱德拉令人难以置信的清晰图像才能实现,"研究共同作者、日本京都大学的前 Keiichi Maeda说。"我们的结果是解决这些恒星如何作为超新星爆炸的问题的重要一步。"

"当超新星发生时,钛碎片在大质量恒星的深处产生。这些碎片穿透了大质量恒星的表面,形成了超新星遗迹仙后座A的边缘,"共同作者、日本理化学研究所先锋研究小组的 Shigehiro Nagataki说。

这些结果有力地支持了中微子驱动的爆炸的想法,以解释至少一些超新星。"我们的研究可能是自探测到1987A超新星的中微子以来,探测中微子在大质量恒星爆炸中的作用的最重要的观测结果,"日本京都大学的Takashi Yoshida说。

天文学家使用了2000年至2018年间从超新星遗迹仙后座A拍摄的超过150万秒,或超过18天的钱德拉观测时间。仙后座A中产生的稳定钛的数量超过了地球的总质量。

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