史上最大单星爆发暗示第一代恒星死亡细节

宇宙中第一批恒星是如何死亡的？

近日，哈佛-史密森天体物理研究中心的网研究团队在《天体物理学杂志》上发表论文，将人们的注意力集中到了2016年11月发现的一颗超新星上。

这就是所谓的超新星，是迄今为止观察到的最大的单星爆炸之一。 它的前身是一颗质量超过太阳一百倍的大质量恒星。 更特别的是，花了3年时间才完全消失。 人类有幸见证了这颗特殊恒星的凋零过程，留下了丰富的数据，堪称宇宙送给人类的礼物。 它可能代表了超大质量恒星死亡的方式，包括宇宙中诞生的第一批恒星。

那么，它是如何被人类发现的呢？ 除了高品质之外，它还有哪些特点呢？ 记录它的死亡过程有何意义？

明星一生的光荣结局

相信很多人都有过看到流星许愿的经历。 它是宇宙中物质质量接近地球时，受到地球引力的牵引，“亲吻”大气层并摩擦燃烧而产生的光迹。 人的眼睛总是更容易被移动的物体所吸引。 随着时间的推移，流星被赋予了美好的寓意。 然而很少有人知道，夜空中的许多星星都会以一种更为英雄的方式结束自己闪亮的一生——超新星爆炸，即恒星的“自爆”。

超新星是恒星演化的一个阶段，但并非所有恒星都有资格成为超新星。 天文学家认为，恒星的演化必须以三种可能的冷状态之一结束：白矮星、中子星或黑洞。 太阳被认为是浩瀚宇宙中的一个“小家伙”，它最终会演化成一颗低光度、高密度、高温的白矮星； 相比之下，大质量恒星（例如质量是太阳的10倍或更重的恒星）在爆炸成超新星之前往往会塌缩成密度非常高的中子星或黑洞。

超新星爆炸时，亮度极高，爆发的电磁辐射往往可以照亮其所在的整个星系，而且从开始到结束往往只有几周到几个月的时间。 但超新星在此期间的辐射能相当于太阳一生中辐射能的总和。

然而，普通人很难在夜空中看到绚丽的超新星。 这是因为，一方面，超新星爆炸在星系中是罕见的事件；另一方面，超新星爆炸是星系中罕见的事件。 另一方面，超新星爆炸基本上都在数千万甚至数亿光年之外，只有大型天文望远镜才能看到。

特殊超新星吸引地球“目光”

2016年11月4日，欧洲航天局（欧空局）旗下的“盖亚”太空望远镜首次发现了它。 随后，位于亚利桑那州图森的卡特琳娜实时瞬变测量系统（CRTS）和美国夏威夷的全景瞬变测量系统（Pan-）分别于2017年1月和2017年3月独立发现了它。

之后，夏威夷直径8.1米的“双子座”北望远镜、智利直径6.5米的“麦哲伦-巴德”望远镜等地面天文观测系统也加入了“战斗群”。 其中，“双子座”北星座望远镜发挥了最重要的作用。 哈佛-史密森天体物理研究中心的埃多伯杰教授表示，双子座观测方法比其他观测方法提供了更深入的超新星观测。 这使得科学家们能够在发现它 800 多天后对其进行研究，尽管当时它的亮度已经暗至峰值亮度的百分之一。

研究人员通过多个地面望远镜追踪超新星的衰弱光线，得出结论，在爆炸之前，这颗大质量恒星的质量在 55 到 120 个太阳质量之间，诞生时的质量可能高达太阳的 200 倍。 它在其一生中逐渐失去了一些外部物质，在爆炸之前的大约十年里，它的重量以每年约三个太阳质量的速度迅速减轻。

“除了质量大之外，与其他超新星相比，它的光谱和光变曲线也有一些特殊的观测特征。” 中国科学院国家天文台副研究员张天猛告诉科技日报，光谱中没有发现氢、氦谱线，而是发现了碳、氢、钙等中等质量元素。 而且，它爆发的位置距离它可能的宿主星系很远，达到了54000光年，处于相对孤立的环境中。

中国科学院国家天文台副研究员李海宁补充道，我们将光谱中呈现的化学丰度模式称为“化学指纹”。 由于天体的化学成分通常不随其空间运动和迁移而变化，因此可以反映其诞生地等本质特征，类似于人类的指纹或DNA。 它质量超大且环境缺乏金属元素，这表明它的祖星很可能诞生于宇宙的极早期恒星形成时期，即尚未形成足够金属元素的早期阶段。

经典模式受到挑战

它有很多特殊之处，包括超长的持续时间、巨大的能量、不寻常的“化学指纹”以及周围环境中重元素的枯竭等。 正如哈佛-史密森天体物理研究中心教授塞巴斯蒂安戈麦斯所说：“当我们第一次意识到这是多么不寻常时，我的反应是——我们的数据有什么严重错误吗？”

既然它如此特殊，那么研究它一定具有重大意义。 当一颗典型的大质量恒星耗​​尽燃料时，它的核心就会塌缩成更小、更稳定的中子星或黑洞。 相当于几十个太阳的超大质量恒星的死网亡过程则不同。 科学家认为，当它们的核心被加热到一定程度时，就会形成电子及其反物质伙伴正电子。 与中子星的中子不同，电子-正电子对没有任何方法来支撑核心抵抗重力。 因此，当一颗超大质量恒星死亡网时，它会坍缩直至消失在黑洞奇点中，导致失控的核聚变引爆整个恒星。 这就是天文学家所说的脉冲对不稳定超新星（PPISN）。 但到目前为止，这主要是一个理论想法。

“它是第一颗被发现的金属丰度和祖星质量均符合PPISN模型的超新星，它的光度和光谱演化可能可以用这个模型来解释。” 张天猛表示，其前身恒星的主序质量估计为120至260个太阳质量，宿主星系的金属丰度为太阳金属丰度的10%。 PPISN模型预测，一颗大质量、贫金属恒星在一定条件下会产生电子-正电子对，这会改变恒星的状态方程，导致其不稳定性增加，进而发生爆炸。

李海宁告诉记者，目前的经典模型普遍认为，宇宙中的第一代恒星应该是质量很大甚至超大质量的，它们以超新星爆炸的方式结束生命，其中PPISN是一种可能的死亡方式。 通过观察和研究，可以类推第一代恒星的性质及其死亡过程。

“但是，它与 PPISN 模型并不完全一致。” 张天猛指出，根据观测数据，它的祖星在爆炸前短短几年内就抛出了大约一半的质量，而现有模型认为需要数千年。

“因此，未来天文学家需要更多的观测数据来修正PPISN模型，或者找到更合理的模型来描述这类超新星的爆炸。” 张天猛说道。