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星星知我心 誰知新星的心?

四百多年前的天空中出突然出現了一顆不尋常的星星,被中國人記錄下來。《明實錄》載:「隆慶六年十月初三丙辰(1572年11月8日),客星見東北方,如彈丸,出閣道旁,壁宿度,漸微芒,有光,歷十九日。」客星,是中國古代欽天監對彗星、新星或超新星的稱呼。

三天後(1572年11月11日),第谷(Tycho Brahe)在北歐冷洌的星空中也發現了此星,他寫下「De nova et nullius aevi memoria prius visa stella (“Concerning the Star, new and never before seen in the life or memory of anyone")」。雖然這顆星不是最早被記錄的新星,而且中國的記錄也比較早,但考量第谷的弟子克普勒提供了肩膀給偉大的牛頓站,後世的天文學界沿用nova(新星)一詞來稱呼這種突然爆亮的天體,而「客星」一詞就被塵封在中國古天文學字典裡了。

新星模型示意圖。Credit:David A. Hardy (www.astroart.org )

新星模型示意圖。Credit:David A. Hardy 

俱載,這顆被第谷記錄為nova的星星持續亮了一年多,直到1574年才漸漸暗去。依現代天文學的分類,第谷新星(Tycho’s Nova)事實上是顆超新星(Super nova),而現代被定義為新星(nova)的天體,爆亮後就開始逐漸暗淡,頂多百來天,亮度已不到原本的1/16了。考量到新星發亮的時間那麼短,以後筆者如果要開一間3C賣場,斷然不會以此命名。

目前天文學界認為新星形成於具有白矮星的雙星系統中,雙星中的另一顆伴星可以是主序帶的恆星或紅巨星。當兩顆星體過於接近時,白矮星的引力會吸走伴星外部的氫氣或氦氣,堆積在其表面上,堆積的氣體會因重壓而升溫,當溫度超過某一臨界時,會發生不可逆的熱失控現象,釋放大量的能量,把部份累積的氣體吹散,是為新星爆炸。其爆炸僅在白矮星表面,若本體也炸了,就不是新星,而是Type Ia型的超新星

這個故事告訴我們,故意跟你走的近的人,也許是想一點一滴吸乾你;另一方面,也教導世人不應貪得無厭,否則會爆炸。研究新星是一門具有醒世哲思的學問。

2012月,一顆編號V959 Mon的新星光芒傳到地球,又向世人透露了新的訊息。NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡在V959 Mon上偵測到了伽瑪射線(後稱γ-ray),γ-ray是電磁波中能量最高的波段,一般而言,天體必需具有高速且密集的基本粒子,使又擠又快的粒子相撞,才會發出γ- ray。原本新星的理論模型中,並沒有如此的環境,而實際觀測的資料中,也只有另一顆新星曾發出過γ- ray,但那顆白矮星的伴星為米拉變星,V959 Mon是第一顆伴星為主序帶恆星而被發現有γ- ray的新星。從V959 Mon之後到2013年之間,NASA又陸續找到了三顆發出γ- ray的新星,然而,新星為何會發出γ- ray仍無定論。

V959 Mon的γ-ray被觀測到時,美國的甚大天線陣(Very Large Array)也在該方位偵測到大量的無線電波訊號,接著利用甚長基線干涉測量(Very-long-baseline interferometry)技術的無線電波天線也紛紛投入觀測V959 Mon的行列。分析後,天文學家認為這是由同步輻射所發出的無線電波。所謂同步輻射是指帶電荷的粒子在以接近光速的速度運動時,受磁場影響而轉彎,所伴隨發出的電磁波的現象。這種現象與產生γ-ray有一個共同要件,即高速運動的基本粒子。因此天文學家可藉由解析度高且較無雜訊的無線電波影像來推論新星發出γ-ray的狀況。

V959 Mon的無線電波影像在首次偵測到後就逐漸擴大,在一百多天後,形成兩團無線電波發射源,各自朝相反方向遠離。來自美、英、中、德、加等國共17個單位的19個學者在持續觀測此影像的六百多天後,建立了讓新星發出γ-ray的模型。他們認為新星爆炸時,一部份的粒子會從雙星互繞的運動中獲得角動量,而大致沿公轉平面被甩出去;不久後,另一部份噴發出的粒子會以更快的速度被雙星系統的星風吹出去。在這兩集團的接面處,粒子有相當高的碰撞機率,這就是新星發出γ-ray的原因及地方。

V959 Mon 模型,黃色為角動量甩出的粒子們、藍色是持續被吹出去的粒子們。Credit:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

V959 Mon 模型,黃色為角動量甩出的粒子們、藍色是持續被吹出去的粒子們。Credit:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

這項研究結果於2014年10月被發表在知名的科學期刊nature上。相傳17個單位天文學家們利用觀測至2013年初的數據就已經把此模型建立好了,剩下近2年的時間則在爭論文章發表後誰的名字要排前面。天文學家相信,發出γ-ray會是新星的普遍行為,而這個模型讓我們更能瞭解新星的內心世界。

參考資料:

  1. Radio Telescopes Unravel Mystery of Nova Gamma Rays. NRAO [8/10/2014]
  2. Binary orbits as the driver of γ-ray emission and mass ejection in classical novae" Laura Chomiuk, Justin D. Linford,Jun Yang,T. J. O’Brien,Zsolt Paragi, Amy J. Mioduszewski,R. J. Beswick,C. C. Cheung,Koji Mukai,Thomas Nelson,Valério A. R. M. Ribeiro,Michael P. Rupen,J. L. Sokoloski, Jennifer Weston,Yong Zheng,Michael F. Bode, Stewart Eyres,Nirupam Roy & Gregory B.Taylor, Nature514, 339–342 (16 October 2014) doi:10.1038/nature13773
  3. 本文諸多天文名詞及解釋均來自於201410月之wiki百科資料。

特別感謝 對天文很有興趣的專業攝影師歐弟 協助審閱本文。  

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」