于紫月

宇宙第一代恒星是如何死亡的？

2019年9月，美國(guó)哈佛大學(xué)一史密森尼天體物理研究中心的研究團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)雜志》發(fā)表的論文，將人們的目光聚焦到2016年11月發(fā)現(xiàn)的一顆超新星上。

這是一顆名為SN2016iet的超新星，是迄今為止人類觀測(cè)到的最大單星爆炸之一。它的前身是一顆質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)百倍的超大恒星。更特別的是，sN2016iet歷經(jīng)3年才徹底消失，人類有幸見(jiàn)證了這一特殊恒星的死亡歷程，留下豐富的數(shù)據(jù)，堪稱宇宙賜給人類的禮物。而它或許代表著包括宇宙中誕生的第一顆恒星在內(nèi)的超大質(zhì)量恒星的死亡方式。

那么，sN2016iet是怎樣被人類發(fā)現(xiàn)的？除了質(zhì)量大，它還有哪些特性？記錄它的死亡過(guò)程究竟有哪些意義？

恒星生命的華麗終結(jié)

相信很多人都有看到流星許愿的經(jīng)歷，那是宇宙中的塊體物質(zhì)在接近地球時(shí)，被地球引力拽過(guò)來(lái)，“親吻”大氣層并摩擦燃燒產(chǎn)生的光跡。人的眼睛總是更容易被運(yùn)動(dòng)的物體吸引，久而久之，流星就被賦予了美好的意義。然而，很少有人知道，夜空中的很多恒星，會(huì)以更壯烈的方式結(jié)束自己發(fā)光發(fā)亮的一生—超新星爆發(fā)，即一顆恒星的“自爆”。

超新星是指恒星演化過(guò)程中的一個(gè)階段，但并非所有的恒星都有資格成為超新星。天文學(xué)家認(rèn)為，恒星的演化必定以3種可能的冷態(tài)之一為終結(jié)：白矮星、中子星、黑洞。太陽(yáng)在浩瀚的宇宙中算是個(gè)“小塊頭”，它將最終演變成低光度、高密度、高溫度的白矮星;相比而言，大質(zhì)量的恒星（如10倍太陽(yáng)質(zhì)量或更重的恒星）更傾向于坍縮成為密度非常高的中子星或黑洞，在此之前會(huì)爆炸成為超新星。超新星爆發(fā)時(shí)極其明亮

超新星爆發(fā)時(shí)極其明亮，所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，從開始到結(jié)束往往只有幾周至幾個(gè)月。但這期間，一顆超新星的輻射能量相當(dāng)于太陽(yáng)在其一生中輻射能量的總和。

但是，普通人很難在夜空中看到絢爛的超新星。那是因?yàn)椋环矫?，超新星爆發(fā)是一個(gè)星系中很少見(jiàn)的事件;另一方面，超新星爆發(fā)基本都遠(yuǎn)在數(shù)千萬(wàn)甚至上億光年之外，只有大型天文望遠(yuǎn)鏡才能看到。

特殊超新星吸引地球“目光”

2016年11月4日，歐洲太空局（ESA）下屬的“蓋亞”太空望遠(yuǎn)鏡最先發(fā)現(xiàn)了SN2016iet。隨后，位于美國(guó)亞利桑那州圖森的“卡塔琳娜”實(shí)時(shí)瞬變巡天系統(tǒng)（CRTS）以及位于美國(guó)夏威夷的全景瞬變巡天系統(tǒng)（Pan-STARRS）分別在2017年1月和2017年3月獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了它。

之后，位于美國(guó)夏威夷的直徑8.1米的“雙子星”北座望遠(yuǎn)鏡和位于智利的直徑6.5米的“麥哲倫一巴德”望遠(yuǎn)鏡等地面天文觀測(cè)系統(tǒng)，也紛紛加入“戰(zhàn)團(tuán)”。其中“雙子星”北座望遠(yuǎn)鏡在其中扮演了最為重要的角色。啥佛大學(xué)-史密森尼天體物理研究中心埃多·伯格教授表示，“雙子座”提供了比其他觀測(cè)手段更深入的超新星觀測(cè)結(jié)果。這使科學(xué)家得以在發(fā)現(xiàn)SN2016iet后800多天還能對(duì)其進(jìn)行研究，盡管當(dāng)時(shí)它的亮度已降低到峰值亮度的1%。

研究人員通過(guò)多個(gè)地面望遠(yuǎn)鏡跟蹤超新星逐漸減弱的光線，最后得出結(jié)論，在它爆炸之前，這顆巨大恒星的質(zhì)量在55-120個(gè)太陽(yáng)之間，而其誕生時(shí)的質(zhì)量甚至可能是太陽(yáng)的200倍。它在整個(gè)生命周期中逐漸失去一些外層物質(zhì)，大約在它進(jìn)入爆炸之前的10年中，它以大約每年3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的速度迅速減重。

“除了質(zhì)量大，與其他超新星相比，它的光譜和光變曲線還具有一些特殊的觀測(cè)特征。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員張?zhí)烀缺硎?，SN2016iet的光譜中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氫和氦的譜線，而是以中等質(zhì)量元素，如碳、氫、鈣等譜線為主，說(shuō)明在爆發(fā)前，它的前身恒星最外層的氫和氦殼層都已經(jīng)消耗殆盡。而且，它爆發(fā)的位置距離它可能的寄主星系很遠(yuǎn)，達(dá)到54000光年，處于一個(gè)比較孤立的環(huán)境中。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員李海寧補(bǔ)充，我們稱光譜中呈現(xiàn)的化學(xué)豐度模式為“化學(xué)指紋”。因?yàn)橐粋€(gè)天體的化學(xué)成分通常不會(huì)隨著它的空間運(yùn)動(dòng)遷移發(fā)生變化，能夠反映出其誕生地等本質(zhì)上的特點(diǎn)，這與人類的指紋或DNA類似。SN2016iet具有超大質(zhì)量，且其所處環(huán)境缺乏金屬元素，表明它的前身恒星很可能誕生在宇宙中極早的恒星形成時(shí)期，也就是尚未形成足夠金屬元素的早期階段。

經(jīng)典模型受到挑戰(zhàn)

SN2016iet有許多特殊之處，包括超長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間、巨大的能量、不尋常的“化學(xué)指紋”，以及周圍環(huán)境的重元素貧乏等。正如哈佛大學(xué)一史密森尼天體物理研究中心塞巴斯蒂安-戈麥斯教授所說(shuō)：“當(dāng)我們第一次意識(shí)到SN2016iet有多么不尋常時(shí)，我的反應(yīng)是——難道我們的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了可怕的錯(cuò)誤？”

既然它如此特殊，研究它必然有非凡的意義。當(dāng)一顆典型的大質(zhì)量恒星耗盡燃料時(shí)，它的核心會(huì)坍塌成更小、更穩(wěn)定的中子星或黑洞。相當(dāng)于幾十個(gè)太陽(yáng)的超大質(zhì)量恒星的死亡過(guò)程則有所不同，科學(xué)家們研究認(rèn)為，當(dāng)其核心加熱到一定程度時(shí)，會(huì)形成電子及其反物質(zhì)伙伴正電子。與中子星的中子不同，電子一正電子對(duì)沒(méi)有任何方法來(lái)支撐核心抵抗重力。因此，超大質(zhì)量恒星在死亡時(shí)將一直坍塌，直到它消失在黑洞的奇點(diǎn)中之前，會(huì)發(fā)生失控的核聚變，引爆整個(gè)恒星。這就是天文學(xué)家所說(shuō)的脈沖對(duì)不穩(wěn)定性超新星（PPISN）。但直到現(xiàn)在，這基本上還是一個(gè)理論性的想法。

“SN2016iet是被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)金屬豐度和前身星質(zhì)量都符合PPISN模型的超新星，其測(cè)光和光譜演化或許可以用該模型來(lái)解釋。”張?zhí)焓a談道，它的前身恒星的主序質(zhì)量被估計(jì)為120-260個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，寄主星系的金屬豐度是太陽(yáng)金屬豐度的10%。PPISN模型預(yù)言大質(zhì)量、貧金屬的恒星會(huì)在特定的條件下產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，使得恒星的狀態(tài)方程發(fā)生變化，導(dǎo)致其不穩(wěn)定性增加，進(jìn)而發(fā)生爆炸。

李海寧說(shuō)，目前的經(jīng)典模型普遍認(rèn)為宇宙中的第一代恒星應(yīng)該是大質(zhì)量甚至超大質(zhì)量的，而它們正是以超新星爆發(fā)的方式結(jié)束自己的生命，其中PPISN就是一種可能的死亡方式。通過(guò)觀測(cè)和研究SN2016iet，可以類推第一代恒星的性質(zhì)及其死亡過(guò)程。