天文學(xué)家首次獲得了一顆恒星“二次爆炸”后死亡的直接視覺證據(jù)。通過使用甚大望遠(yuǎn)鏡觀測超新星遺跡 SNR 0509-67.5,他們發(fā)現(xiàn)了可清晰辨識的爆炸特征,證實一顆白矮星經(jīng)歷了兩次爆炸。這一發(fā)現(xiàn)揭示了宇宙中最劇烈的一類爆炸——Ia型超新星——可能存在另一種全新的爆發(fā)機(jī)制。研究結(jié)果已發(fā)表于近期的《自然·天文》雜志上。
這張圖像顯示了超新星遺跡SNR 0509-67.5,這是數(shù)百年前一顆恒星在雙重爆震中死亡后,遺留下的膨脹遺跡。科學(xué)家通過不同顏色描繪不同元素的分布,藍(lán)色代表鈣元素,清晰呈現(xiàn)出兩個同心殼層,揭示了這顆恒星經(jīng)歷了兩次爆炸;橙色代表氫元素(Hα)。(圖/ESO/P. Das et al. & K. Noll et al.)
宇宙中的劇烈爆炸
Ia型超新星是天文學(xué)中極其重要的“測距工具”,因為它們幾乎都以相同的亮度爆炸,因此可用于通過其亮度來推算它們與地球的距離。正是依靠這些距離數(shù)據(jù),天文學(xué)家得以描繪出宇宙膨脹的歷史軌跡,并最終發(fā)現(xiàn)了一種推動宇宙加速膨脹的神秘力量——暗能量。
除了對于我們理解宇宙的膨脹至關(guān)重要,地球上的鐵元素,甚至包括我們血液中的鐵,也主要來源于Ia型超新星爆炸。
與大多數(shù)超新星源于大質(zhì)量恒星的爆炸不同,科學(xué)界普遍認(rèn)為,Ia型超新星源自于白矮星的爆炸。
當(dāng)一顆類似太陽的恒星在耗盡燃料時,其核心就會坍縮形成致密的白矮星。它主要是由碳和氧等元素構(gòu)成,其質(zhì)量本身不足以繼續(xù)進(jìn)行核反應(yīng)。但在某些情況下,如果它從外界吸收了額外的物質(zhì)并達(dá)到了某個臨界質(zhì)量,就有可能重新點燃劇烈的核聚變反應(yīng),最終將自己炸得粉碎。
然而,這些額外物質(zhì)究竟來自哪里,一直是學(xué)界爭論的焦點。
質(zhì)量極限 vs 雙重爆震
目前的主流理論認(rèn)為:Ia型超新星誕生于一對白矮星與伴星組成的雙星系統(tǒng)。當(dāng)白矮星與伴星足夠接近時,它會不斷從伴星吸取物質(zhì),直到達(dá)到所謂的“錢德拉塞卡質(zhì)量極限”,進(jìn)而引發(fā)劇烈爆炸。
左:白矮星的引力會吸引伴星的氣體;右:當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到所謂的錢德拉塞卡極限時,它就會爆炸形成Ia型超新星。(圖/原理)
但近年來,一些研究還提出了另一種可能:白矮星即使未達(dá)到臨界質(zhì)量,也可能形成Ia型超新星。
具體來說,白矮星會在表面會積累一層富含氦的外殼,這層氦在變得不穩(wěn)定后首先發(fā)生爆炸,隨后產(chǎn)生的激波會沿著白矮星表面?zhèn)鞑ゲ⑾騼?nèi)傳入核心,引發(fā)第二次爆炸,最終形成Ia型超新星。這個過程被稱為“雙重爆震”(double detonation)。
雖然“雙重爆震”理論早已有之,卻一直缺乏直接的視覺證據(jù)。
關(guān)鍵證據(jù):雙層鈣殼結(jié)構(gòu)
在新的研究中,研究人員特別關(guān)注了鈣元素,它可以通過兩種機(jī)制形成:
一部分鈣來自富含氦的外殼,在第一次爆炸發(fā)生之前,通過核聚變形成;
另一部分鈣則是在核心的物質(zhì)發(fā)生聚變時產(chǎn)生的。由于這些物質(zhì)在超新星爆發(fā)中被快速拋出,從而來不及經(jīng)歷進(jìn)一步的核反應(yīng),未能轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐脑亍?/p>
由于鈣元素分別由兩次爆炸生成,因此天文學(xué)家預(yù)測:超新星爆炸后形成的膨脹碎片中將存在兩個彼此分離的鈣殼層,中間隔著一定距離,且這些結(jié)構(gòu)即使在爆炸多年后仍可被觀測到。
圖中展示的是SNR 0509-67.5遺跡中鈣元素的分布,疊加的曲線清晰勾勒出兩個同心的鈣殼層,這是恒星在數(shù)百年前經(jīng)歷兩次爆炸時分別噴發(fā)出的產(chǎn)物。(圖/ESO/P. Das et al.)
現(xiàn)在,對一個名為SNR 0509-67.5的遺跡的觀測結(jié)果,為這一模型提供了直接的支持證據(jù):研究人員在這一超新星遺跡中發(fā)現(xiàn)了這一標(biāo)志性結(jié)構(gòu)。他們利用甚大望遠(yuǎn)鏡上的多元光譜探測儀(MUSE),成功識別出這兩個由高電離鈣構(gòu)成的殼層。
他們的研究表明,SNR 0509-67.5在爆炸時可能是一顆質(zhì)量與太陽大致相當(dāng)?shù)陌装牵浔ê芸赡苁怯赏鈱右粋€僅占太陽質(zhì)量約3%的氦殼發(fā)生爆震所觸發(fā)的。新結(jié)果說明,白矮星在未達(dá)到錢德拉塞卡極限前就能爆炸,同時也說明“雙重爆震”機(jī)制確實存在于自然界。
超新星遺跡 SNR 0509-67.5的整體結(jié)構(gòu)的藝術(shù)構(gòu)想圖。(圖/ESO/M. Kornmesser)
一場壯觀“煙火秀”帶來的新疑問
(視頻/ESO)
然而,這一發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了一個核心問題:Ia型超新星的亮度是否真的恒定不變?如果白矮星尚未達(dá)到傳統(tǒng)的臨界質(zhì)量就能通過雙重爆震引發(fā)爆炸,那么部分Ia型超新星的亮度可能會明顯低于預(yù)期。
更復(fù)雜的是,研究團(tuán)隊指出,在某些雙星系統(tǒng)中,如果存在第二顆距離足夠近的白矮星,首顆超新星爆炸產(chǎn)生的碎片甚至可能引發(fā)另一場“雙重爆震”。兩次爆炸可能在時間和空間上都極為接近,在觀測上幾乎難以區(qū)分。因此,科學(xué)家仍需進(jìn)行大量模擬和理論建模,才能全面評估這一機(jī)制對宇宙學(xué)測距和Ia型超新星標(biāo)準(zhǔn)性所帶來的深遠(yuǎn)影響。
#參考來源:
https://www.eso.org/public/news/eso2511/
https://arstechnica.com/science/2025/07/new-evidence-that-some-supernovae-may-be-a-double-detonation/
https://www.nature.com/articles/s41550-025-02589-5
#圖片來源:
封面圖&首圖:ESO/P. Das et al. & K. Noll et al.
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