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磁星形成之謎應該解開了吧!

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磁星(magnetar)是性質非常奇特且密度極端緻密的超新星爆炸殘骸,它們也是宇宙中磁場強度最強的天體。天文學家利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)觀測結果指出:他們首度發現磁星的伴星,且這項發現結果或許可讓天文學家們有機會解決磁星到底是如何形成這個懸宕35年之久的問題,或許還可藉機瞭解為何這麼特別的星體並不會如天文學家原本預期的直接塌縮成黑洞。

當一顆大質量恆星演化到生命末期而發生超新星爆炸時,在自身重力影響下會向核心塌縮,形成中子星或黑洞。磁星也是中子星之一,但卻是中子星裡的怪胎,數量非常稀少,體積極小,密度異常大,磁星表面一茶匙的物質,大約相當於地球表面上的10億噸這麼重呢!而磁星最大的特徵就是它們那睥睨宇宙的磁場強度,其表面磁場強度比地球上最強的磁鐵還強數百萬倍以上。當這些磁星的地殼因承受極大應力時,可能會突然發生所謂的星震(starquake),從而輻射出大量伽瑪射線。

目前已知銀河系中的磁星約有20多顆,英國公開大學(The Open University)天文學家Simon Clark等人利用VL觀測其中一顆位在Westerlund 1星團中的磁星,CXOU J164710.2-455216(簡寫為CXOU J1647-45)。Clark等人的早期觀測工作顯示,磁星CXOU J1647-45應該是Westerlund 1星團中一顆原本質量高達40倍太陽質量的恆星發生超新星爆炸而形成的。然而,這個結論卻讓這些天文學家開始苦惱,苦惱的原因在於:這顆磁星的前身恆星這麼大,按現行恆星演化理論來看,發生超新星爆炸時,核心部分應該會直接形成黑洞才對,不應該形成中子星。究竟什麼地方出了問題?

Clark等人曾提出假設認為:磁星應該是兩顆極大質量恆星所組成的密近雙星系統中形成的,這兩顆星非常接近,其軌道距離可能還不及太陽到地球這麼遠。不過到目前為止,天文學家不曾在磁星CXOU J1647-45附近找到伴星的蹤跡,無法證實這個假設是否正確。因此,Clark等人利用VLT搜尋星團其他部分,尋找所謂的「落跑恆星(runaway star)」,即以高速逃脫星團的天體,看看是否是因為這場劇烈的超新星爆炸不小心把伴星給踢出去了。

eso1415b_Westerlund_1最終,Clark等人發現編號為Cl* Westerlund 1 W 5(簡寫為Westerlund 1-5)的恆星符合他們的要求。這顆星在太空中的速度不僅正如預期中超新星爆炸將伴星拋射出去的那麼快,而且它的低質量、高亮度且富含碳元素的等特徵,在在都反映出這顆恆星它不可能原本就是顆單星,而是曾是雙星或聚星系統裡的一員。

這項發現可讓天文學家重建這顆恆星一生將近之時到底發生何事,藉此瞭解為何不是形成黑洞,而是形成磁星。在第一階段,這對雙星中質量比較大的主星先因核心燃料用盡而離開主序階段,其外殼膨脹到超
過兩星的重力勢力界線,致使部分物質因而轉移到原本質量較小的伴星上,使伴星自轉速度愈來愈快,如此快速的自轉,正是它後來演變成擁有超強磁場的磁星的基本要素。

第二階段,質量轉移使伴星質量變得大到反而讓大量伴星新近獲得的物質向外溢出。絕大部分溢出的物質流失在太空中,但有一部份回流到主星上,而這個主星,就是最近發現的Westerlund 1-5。

所以,磁星到底如何形成的,天文學家終於有譜了:正是這個特別的物質交換過程,讓Westerlund 1-5具有同時擁有豐富的氫、氮和碳這樣非常獨特的化學特徵(備註1),又可讓它的伴星有效瘦身,質量減低到只能形成磁星、但無法塌縮成黑洞的程度!

Westerlund 1星團位在南天的天壇座(Ara)中,距離地球約16,000光年,是瑞典天文學家Bengt Westerlund於1961年前往澳洲進行觀測的過程中發現的;Westerlund後來在1970~19714年期間成為歐南天文台台長。這個由大質量恆星組成的星團本身非常明亮,但因為隱藏在一個龐大的星際氣體塵埃雲後方,被這些雲氣阻絕了大部分的可見光,使其亮度減低成原來的10萬分之1以下,才會遲至1961年方被發現。

到目前為止,所有已分析過的Westerlund 1成員星的質量至少為30~40倍太陽質量。這類大質量恆星的生命非常短暫,由此可見Westerlund 1星團必定非常年輕;事實上,由觀測資料顯示,這個星團的年齡大約為350~500萬年左右,所以這個星團必定是銀河系內的新生星團,這使得Westerlund 1星團是天文學家眼中的寶窟,可以幫助天文學家瞭解銀河系中的大質量恆星如何形成、演化與死亡。透過觀測,這些天文學家推測這個極端星團的質量很可能高達10萬倍太陽質量,甚至可能不只此數;然而它所有的成員星卻擠在直徑不及6光年的狹小區域內。這使得Westerlund 1成為迄今已知銀河系中質量最緻密的年輕星團。

資料來源:Magnetar Formation Mystery Solved? ESO [May 14, 2014]

備註1:恆星的內部會進行核融合反應而產生光熱,同時其化學組成也會因此而逐漸改變。起初最豐富的成分是氫和氮,以及非常少亮的碳;之後氫和氮逐漸轉換成碳而使碳含量逐漸增加,同時氫和氮的含量卻嚴重減少。所以一般認為正常的單一恆星是不可能同時擁有豐富的氫、氮和碳三種元素的狀況。

備註2:Westerlund 1既然是年輕而熾熱的大質量恆星組成的星團,按理來說應該呈現藍色外觀,但頁首上方VLT拍攝的Westerlund 1星團影像卻呈現橘紅色,原因為何呢?嘗試著從正文中的字裡行間尋找答案吧!

轉載自網路天文館

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