哈勃帮助科学家发现了一颗超新星爆炸后幸存的伴星

2022年05月08日 12:13 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在巨大的超新星爆炸现场发现一颗幸存的恒星并不是闻所未闻的事情,而超新星爆炸预计会湮灭它周围的一切,但哈勃太空望远镜的最新研究为一种特定类型的恒星死亡提供了一条期待已久的线索。在一些超新星案例中,天文学家没有发现前恒星最外层的氢的痕迹。那么那里的氢气究竟发生了什么?

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对此,研究人员怀疑伴星是罪魁祸首--在它们死亡之前吸走了它们伙伴的外壳--这一点得到了哈勃在2013年超新星现场发现的一颗幸存的伴星的支持。这一发现也使大多数大质量恒星以双星系统的形式形成和演化的理论得到了证实。而这也可能是另一场宇宙大戏的前传:随着时间的推移,幸存的大质量伴星也将经历一场超新星,如果这两颗恒星的残余核心没有被甩出系统,那么它们最终将合并并产生引力波进而撼动空间结构本身。

NASA的哈勃太空望远镜在一颗恒星爆炸性死亡的现场发现了一个目击者:一颗之前隐藏在其伙伴的超新星的强光下的伴星。这一发现对于一种特殊类型的超新星来说是第一次--在这种超新星中,恒星在爆炸前被剥去了它的整个外层气体包膜。

这一发现为大质量恒星的双星性质提供了关键性见解,同时它还是伴星最终合并的潜在前奏,它将作为引力波在宇宙中震荡并成为时空结构本身的涟漪。

天文学家在超新星爆炸中检测到各种元素的特征。这些元素像超新星前的洋葱一样分层。氢气存在于恒星的最外层,如果在超新星的后果中没有检测到氢气,那么这意味着它在爆炸发生之前就被剥离了。

氢气流失的原因一直是个谜,天文学家们一直在利用哈勃寻找线索并检测理论来解释这些被剥离的超新星。新哈勃观测结果提供了最好的证据来支持这一理论,即一颗看不见的伴星在爆炸前从其伴星上抽走了气体包膜。

“这是我们一直在等待的时刻,终于看到了完全剥离的超新星的双星系统祖先的证据,”位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所的天文学家Ori Fox说道,“我们的目标是将这一研究领域从理论转向跟数据打交道以看看这些系统到底是什么样子的。”Fox是哈勃研究计划的首席调查员。

Fox的团队使用哈勃的第三代广域相机研究了紫外线下的超新星2013ge区域及Barbara A. Mikulski档案(MAST)中先前的哈勃观测。天文学家们看到,从2016年到2020年,超新星的光芒会随着时间的推移而逐渐消失--但在同一位置的另一个附近的紫外光源却保持着它的亮度。这个潜在的紫外线发射源就是研究小组提出的SN 2013ge的幸存的双星伴星。

两两成对?

以前,科学家们推测,一颗大质量原生星的强风可能会吹走它的氢气包层,但观测证据并不支持这一点。为了解释这种脱节,天文学家开发了一些理论和模型。据了解,在这些理论和模型中,一个双胞胎伴侣会抽走氢气。

“近年来,许多不同的证据告诉我们,剥离的超新星可能是在双星中形成的,但我们还没有真正看到伴星。研究宇宙爆炸的大部分工作就像法医科学--寻找线索,以看看哪些理论是符合的。感谢哈勃,我们能够直接看到这一点,”哈勃研究小组成员、多伦多大学的Maria Drout说道。

在之前对SN 2013ge的观测中,哈勃在紫外光中看到了两个峰值,而非在大多数超新星中通常只看到一个。Fox表示,对这种双倍亮度的一种解释是,第二个峰值显示了超新星的冲击波撞击到一颗伴星时的情况,这种可能性现在看来更有可能。哈勃的最新观测结果表明,虽然伴星受到了明显的冲击--包括它从其伙伴身上吸走的氢气,但它并没有被摧毁。Fox将这种影响比作一碗晃动的果冻,它最终会恢复到原来的形态。

虽然还需要找到更多的确认和类似的支持性发现,但Fox表示,这一发现的意义仍非常大,这为大多数大质量恒星以双星系统形式形成和演变的理论提供了支持。

值得关注的一个

不像超新星有一个蓬松的气体外壳可以点亮,事实证明,在爆炸前的图像中,完全剥离包层的超新星原体很难被识别。现在,天文学家已经幸运地识别出了幸存的伴星,他们可以利用它进行倒推以确定爆炸的恒星的特征,以及获得前所未有的机会以跟幸存者一起观看后果的展开。

作为一颗大质量恒星本身,SN 2013ge的同伴还注定要经历一场超新星。它的前伙伴现在可能是一个紧凑的天体如中子星或黑洞,而这个同伴也很可能会走这条路。

原有伴星的距离将决定它们是否会在一起。如果距离太远,伴星将被甩出系统并独自在我们的银河系中游荡,这种命运可以解释许多看似孤独的超新星。

然而如果这些恒星在超新星之前就足够接近对方,那么它们就会作为黑洞或中子星继续围绕对方运行。在这种情况下,它们最终会朝着对方螺旋上升并合并并在此过程中产生引力波。

这对天文学家来说是一个令人兴奋的前景,因为引力波是天体物理学的一个分支,才刚刚开始被探索。它们是时空结构本身的波浪或涟漪,由阿尔伯特-爱因斯坦在20世纪初提出。引力波后来有被激光干涉仪引力波观测站(LIGO)直接观测到。

“有了SN 2013ge的幸存同伴,我们有可能看到引力波事件的前传,尽管这样的事件仍将在未来10亿年左右,”Fox说道。

Fox和他的合作者将跟哈勃合作以建立起一个更大的其他超新星的幸存伴星样本,实际上是给SN 2013ge再次提供一些陪伴。

“除了了解超新星本身还有很大的潜力。由于我们现在知道宇宙中大多数大质量恒星都是以双星对的形式形成的,所以对幸存的伴星的观测是必要的,以此来帮助了解双星形成、物质交换和共同进化发展背后的细节。这是一个研究恒星的激动人心的时刻,”Fox说道。

“了解大质量恒星的生命周期对我们特别重要,因为所有的重元素都是在它们的核心和通过它们的超新星铸造的。这些元素构成了大部分可观察到的宇宙,其中包括我们所知的生命,这项研究的论论文共同作者、来自加州大学伯克利分校的Alex Filippenko补充道。

据悉,这些结果已发表在《The Astrophysical Journal Letters》上。

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