从外部引燃超新星爆发


使用INTEGRAL空间天文台进行的高能观测揭示了一个出人意料的伽玛射线信号,它来自近期一场超新星爆发抛出的物质表面。这一结果对Ia型超新星爆发的主流模型提出了挑战,说明这样的高能事件有可能是从外界而非爆发白矮星的中心引燃的。来自马普地外物理所和天体物理所的天文学家在新一期《科学》杂志上向天文界展示了他们的发现。
1月,人们在邻近的星暴星系M82中发现了超新星爆发SN2014J。仅仅两星期后,天文学家就使用INTEGRAL空间望远镜采取了数据,揭示出了来自镍元素放射性同位素56Ni的两条伽玛射线特征谱线。
超新星是巨型核聚变熔炉,镍原子核据信是超新星内部核聚变的主要产物。一般人们假定,这种放射性元素主要是在爆发白矮星的核心产生的,因此会被遮掩住,无法直接观测到。由于爆发会稀释掉全部的恒星物质,外部壳层会变得愈发透明,在数周到数月之后,预计来自镍元素衰变链式反应的伽玛射线也可以被观测到。

图1:艺术家笔下的双星系统,在这里来自输质星的物质可能会溢到白矮星上。当足够多的吸积物质积累到了白矮星的表面上,可能就会点燃一场核爆炸,进而点燃灾变性的核燃烧,并摧毁白矮星。(图片版权:ESA Noordwijk)

然而在天文学家详细审查新数据的时候,他们发现,在假定的爆发日期之后区区15天,就出现了放射性镍元素衰变的迹象。这说明,观测到的所有物质都是靠近爆发表面分布的,这着实让人吃了一惊。
新研究的第一作者、来自马普地外物理所的INTEGRAL光谱仪首席研究员罗兰•迪尔(Roland Diehl)解释观测分析结果时说:“我们着实为这个意外的信号困惑了一阵子。但是我们找不到任何出错的地方,而且来自56Ni的伽玛谱线在数天之后就如预期一般衰减了,显然它是来自超新星方向的。”在MPE,一支专业分析团队花费了数年时间一直在开发特殊的方法,以图进行高分辨率伽玛射线分光研究。这一方法曾经成功用于整个银河系以及仙后座A超新星遗迹核合成的研究,现在又被用于新的超新星观测。

图2:左:用于观测宇宙伽玛源的INTEGRAL空间天文台;右:INTEGRAL的光谱仪(SPI)最适宜进行伽玛射线分光观测。(图片版权:CNES Toulouse)

来自马普天体物理所的研究合作者沃尔夫冈•希尔布兰特(Wolfgang Hillebrandt)解释道:“我们知道,超新星会在一秒之内燃尽整个白矮星,但是我们并不清楚爆发最初是如何引燃的。”他继续说:“看起来我们似乎需要一颗伴星。很长时间以来,我们认为只有这样的白矮星才会爆发,它们承载了过多来自伴星的物质,最终达到了临界质量。”但是这样的爆发会是在白矮星核心引燃的,从外面看不到任何核聚变的产物。
迪尔、希尔布兰特及其同事因为这个结果争论了一段时间,挑战着数据处理的方法以及超新星爆发的理论。现在他们报告了自己以统计学依据为支撑的发现,还说明了他们的方法,来帮助科学家判断这一重要的发现。他们总结说,这些伽玛射线信号提供了新的线索,说明双星伴星的物质流是如何从外部引燃这样一次超新星爆发,而毋须要求白矮星质量超过临界范围的。

图3:在SN2014J爆发约两周后探测到的镍线。信号的位置位于超新星位置(以十字表示)的测量误差框内。(图片来源:R•迪尔,Th•西格特,W•希尔布兰特等人,《科学》,2014年7月31日)

根据镍元素伽玛谱线的早期形态来看,引燃爆发的应该是从伴星吸积而来的中等数量外部物质,它们被加工成了聚变余烬,其中就包括观测到的镍。这场初级爆发随后必然引发了超新星主爆发,众多望远镜在许多其他的波段上看到了它,在这些观测中,它看上去一一次非常正常的超新星爆发。
来自放射性元素衰变的伽玛射线可以直接追踪核聚变余烬,因此为我们对此类超新星爆发的了解作出了独特的贡献。天文学家描述的图景与新近的观点相符,也就是极快的物质流可能经常会成为此类超新星的源头,这样的物质流会发生在并合白矮星系统中。
关于INTEGRAL:
INTEGRAL伽玛射线空间天文台于2002年发射,原定工作3年,而现在几乎12年过去了,它仍旧保持着良好状态,还可以继续进行多年的观测。MPE与合作机构——图卢兹(Toulouse)的IRAP/CESR一道负责其上两架主望远镜之一——SPI光谱仪。INTEGRAL已经在狂暴的高能宇宙中发现了众多的新源,其中包括活动星系、新型吸积双星系统与脉冲星、伽玛射线暴等,还对来自不同辐射源的伽玛射线核合成进行了巡天,另外还发现了一个来自反物质湮灭的费解信号。
INTEGRAL是欧洲空间局(ESA)与俄罗斯和美国合作的项目。INTEGRAL的网站:http://sci.esa.int/integral/
参考文献:
R•迪尔,Th•西格特(Th. Siegert),W•希尔布兰特等人,《来自SN2014J的早期56Ni衰变说明了一场不同寻常的爆发》,《科学》,2014年7月31日


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