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發現迄今最遠、最古老的超新星

臺北天文館_96
・2011/10/11 ・1030字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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一組由以色列、日本和美國天文學家組成的研究團隊,利用日本位在夏威夷的昴望遠鏡(Subaru Telescope),進行迄今最大的超新星巡天工作,希望在距今100億年前的早期宇宙中,探知超新星爆發的頻率。

超新星已經成為天文物理學中不可或缺的重要工具,他們是天然的元素工廠,基本上,元素週期表中比氧還重的元素,幾乎都是經由超新星爆炸之前或爆炸當時的核融合反應過程產生的,然後拋擲到太空中,成為下一代恆星、或甚至像地球這樣的行星製作的材料,我們人體中骨骼中的鈣或血液中的鐵也都是超新星的產物。因此,若能瞭解超新星發生頻率隨時間改變的狀況,就能建立從大霹靂時製造的氫與氦元素開始直到今日為止的元素製造史。

雖然這些超新星都很亮,不過要在這麼遙遠的距離搜尋超新星,意味著這些超新星看起來非常昏暗而難以偵察。為了克服這個困難,這個團隊採用口徑8.2米、集光力很強的昴望遠鏡,加上視野比較廣的主焦點相機(Suprime-Cam),累積數晚的曝光時間,共取得4幅影像,完成所謂的「昴深空影像(Subaru Deep Field)」。昴深空影像涵蓋範圍約相當于滿月面積,每幅影像中都在超過150,000個星系中找到約40顆超新星。總計在這些資料中共發現約150個超新星,其中約有10個是目前已知最遠、最古老的超新星。

經分析後,顯示在約100億年前的年輕宇宙中,這些所謂的「熱核反應型(thermonuclear)」超新星發生的頻率是現今宇宙的5倍以上。熱核反應型超新星就是大家熟知的Ia型超新星,是現今宇宙鐵元素的最主要來源,此外,也因它們具有標準燭光的性質而成為天文學家測量遙遠天體的利器,並因此讓藉Ia型超新星而發現宇宙加速膨脹、宇宙中可能存有暗能量的天文學家獲得2011年的諾貝爾物理獎。不過,科學家對於熱核反應型超新星本身性質瞭解不多,對其爆炸之前的狀態或所處的恆星系統等,爭議頗多。因此,這個團隊認為或許可藉由分析超新星隨時間分佈的狀態,找到或許可解決此爭端的重要線索。

研究結果,這些天文學家認為Ia型超新星比較偏向是由白矮星雙星合併而引發的;如果這個研究結果為真,那麼Ia型超新星將失去作為標準燭光的資格,整個現代宇宙論又將改寫。不過,這個結論還不是十分確定,他們計畫在未來昴望遠鏡裝設更新一代的超主焦點相機(Hyper Suprime-Cam)後,能蒐集更多資料、找到更清楚的證據來證明他們個觀點。

相關論文發表在2011年10月發行的英國皇家天文學會月刊(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)中。

資料來源:The Most Distant and Ancient Supernovae in the Young Universe

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星
全國大學天文社聯盟
・2022/03/30 ・4272字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 文/語星葉,與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹,正在努力成為天文學家。

看星星,是大多數人接觸天文的契機。現今,看見滿天星斗對於被光害荼毒的都市人而言是一種奢侈,相較於古時夜無燈火,總有許多靜謐無光的夜晚,能讓人們一同仰望星空,思索空中的奧秘。多數星星安靜地閃爍,被人類賦予神話故事,成了現在為人所知的「星座」。另外,有少數幾顆不安分地移動著,它們的移動方式看似有規則,有時候卻會逆行,這些在天空中漫遊的星星,我們就稱之為「行星」 。

在極少數的情況,我們會發現過去未曾注意到的星點,猶如初來乍到的旅客,古時中國稱之為「客星」 [註一]。現在我們知道,這些看似新生的星,實則氣數已盡。利用強大的各波段望遠鏡,人類偵測到大量「新」光,並提出多種機制來解釋星光快速且劇烈改變的現象。

本文將介紹 3+1 種天文現象,分別為「新星(Nova)」、「超新星(Supernova)」和「極亮超新星(Superluminous supernova / Hypernova)」,以及「千級新星(Kilonova)」。前兩者的觀測歷史源遠流長,後兩者則歸功於現代發達的觀測技術,才讓我們得以一探究竟。

蟹狀星雲,古時中國稱之為天關客星,為西元 1054 年的超新星爆炸殘骸。圖/NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

新星:我可一點都不年輕!

新星(Nova)來自拉丁文,有 「new」 之意。過去,人們仰望寧靜無波(一成不變)的星空時,若是偶然發現從未見過的星星,便稱之為「新星」。但如今我們知道,新星其實不是剛誕生的星,而是古老的小質量恆星,會在它們的生命終章──白矮星時期,突然變得異常明亮。

白矮星是小質量恆星死亡後的產物,緻密、溫度高,但亮度低,平常不易觀測。一般而言,白矮星是非常穩定的天體,但如果身邊有個伴,情況就不同了。若是白矮星和伴星互繞的距離過近,使得伴星的氫被吸向白矮星表面,並在其表面點燃核融合反應,產生劇烈的光度變化,讓白矮星成為用肉眼可見的「新星」。

近年,天文學家發現,新星的出現經常伴隨強烈的伽瑪射線,推測是來自新星爆發時產生的衝擊波。後續研究指出,新星的高光度也是以衝擊波作用為主,而不是來自表面的核融合反應,打破了以往既有的觀點。

藝術家繪製的假想圖。右側的白矮星吸走左側伴星的氫,成為亮度極高的新星。圖/NASA/M.Weiss

超新星──宇宙中的燦爛花火

超新星(Supernova)顧名思義是新星的 Super 版,比「新星」更亮的星星──天文名詞總是取得如此淺顯易懂。超新星的光度遠超越新星,其形成機制也有所不同。

目前科學界認為超新星有兩種不同的形成機制,分別為「熱核超新星(Thermonuclear supernova)」與「核心塌縮超新星(Core-collapse supernova)」。

「熱核超新星(Thermonuclear supernova)」前身和新星一樣是白矮星,差別在於熱核超新星爆炸極具毀滅性。當白矮星的質量增加到「錢德拉賽卡極限(Chanfrasekhar limit)」,也就是臨界值時,引爆其核心的碳元素將劇烈爆炸,將使白矮星灰飛湮滅。質量增加是因為白矮星身邊有個伴,可能是兩個白矮星白頭偕老、最終合併,也可能和新星一樣是老少配,然後白矮星吸走年輕伴星的表面物質。但究竟是哪種配對導致熱核超新星爆炸,天文學家還在熱議。

「核心塌縮超新星(Core-collapse supernova)」則來自大質量恆星核心塌縮後造成的熱壓爆炸。當大質量恆星的核心燃料用罄,無法支撐極強的重力而塌縮時,就會產生巨量的熱能,並向外爆發。整個過程僅以秒計。爆發後,周圍形成漂亮的超新星殘骸,核心則塌縮成中子星或黑洞。

值得一提的是,超新星是少數能夠串聯古今天文學的研究領域。歷史上數個著名的超新星爆發事件,在世界各地的文明史料中皆能發現記錄。目前推測人類文明見過最亮的超新星事件是 SN1006(西元 1006 年),最亮時甚至比啟明更亮 [註二],即使在白天仍可用肉眼看見,而且持續長達數星期。著名的梅西爾天體 M1(蟹狀星雲)也是超新星爆炸後的殘骸,自 1054 年的超新星爆發中產生,相關記錄散見史冊,而且至今仍是天文界炙手可熱的研究對象。

蟹狀星雲之心。 圖/NASA and ESA

+1 的部分:極亮超新星

現代觀測技術的進步使超新星事件變得常見,有多部自動望遠鏡凝視著宇宙虛空,在星際間搜尋著超新星的亮光,這類計畫稱為巡天(Survey)計畫。在眾多的觀測數據中,天文學家注意到一類特別明亮的「極亮超新星」(令人不禁想吐槽天文學家如此單純的命名邏輯),這些超新星比一般情況亮了 2 個數量級以上,並且非常罕見。

到 2017 年止,人類僅觀測到約 100 顆極亮超新星。由於數據過少,天文學家對其形成機制的想像可謂瞎子摸象、暫無定論,目前仍歸類為超新星。那麼,極亮超新星究竟是超新星的超級版,抑或是來自不同的形成機制,唯有持續探向更遙遠無垠的古老宇宙,才有機會揭發這個謎團了。

千級新星──看見宇宙之音

「千級新星」是非常新的天文研究領域,研究過程也極具戲劇性。故事得從科學家研究重力波開始說起。

重力波是重力作用產生的時空漣漪。百年前,愛因斯坦的理論便預測其存在,但重力波非常微弱,連愛因斯坦本人都不相信人類有朝一日能偵測到重力波。直到 2015 年,人類才首次「聽」到兩顆黑洞合併產生的重力波 [註三]。不過,重力波的訊號指向性不佳,難以「聽音辨位」,也就是用重力波訊號回推事件發生地點。若我們能同時「看」到電磁輻射訊號(該事件發出的電磁波),便可蒐集更多更精確的數據,以了解究竟是在宇宙何處發生了什麼事。

令人難過的是,兩顆黑洞合併幾乎不會產生電磁輻射,因此無法用上述的方法獲得更多資訊。

後來,科學家發現,當兩顆中子星合併、或一顆中子星與一顆黑洞合併時,發出的重力波訊號雖較兩顆黑洞合併更弱、也更難偵測,但這兩種事件不只會產生重力波,也會發出電磁輻射,因此是重力波干涉儀的重要偵測目標。2010 年,天文物理學家探討了這兩種合併事件可能的電磁輻射樣態,得出的結論是和新星事件一樣會有劇烈的光度改變,而且最大亮度約是新星的千倍,於是命名為「千級新星(Kilonova)」。

藝術家以動畫展示兩顆中子星通過重力波合併,然後爆炸成千級新星的過程。影/ESO/L. Calçada.

千級新星的發光機制和超新星不同:超新星的光度主要來自爆炸產生的放射性鎳元素衰變,而千級新星則主要來自兩顆中子星,或中子星與黑洞碰撞合併時,大量發生的核反應——「中子捕獲作用」,此類核反應僅在極端物理環境下產生,是形成金、銀、鉛等重元素的重要機制。過去科學家認為宇宙中重元素的生產者是超新星,然而超新星爆炸的觀測數據卻發現,超新星事件發生的中子捕獲作用的「產能」並不足以支撐現有的重金屬比例,因此千級新星便躍上研究舞台,被認為是重元素的主要產地。

2017 年,LIGO 及 VIRGO 重力波干涉儀共同偵測到人類史上第一場雙中子星合併事件 GW170817。當時,世界各地的望遠鏡幾乎都暫時放下常規任務,爭相投入這場觀測馬拉松。最終的成果令人振奮,不但同時偵測到重力波與相應的電磁波源,分析結果也與千級新星理論預測的訊號相符,這代表我們首次觀測到了千級新星!

重力波 GW170817的可見光訊號。圖/Soares-Santos et al. and DES Collaboration

這場盛會更昭示了「多信使天文學」時代的來臨 [註四]。重力波探測與多波段電磁觀測的結合,替人類的宇宙探索之旅翻開嶄新的一頁。今日,科學家們正期待著下一對共舞的緻密天體搖響精密儀器的銀鈴,讓更多未解之謎得以撥雲見日。

藝術家繪製的 GW170817 雙中子星合併事件想像圖。圖/LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University

宇宙看似恆常不變,然而在無盡好奇的驅使下,人類以最新科技突破既有的感官極限。我們洞見宇宙深邃瞬變的幽光,聆聽時空悠遠微弱的呢喃。宇宙「新」光的無盡奧秘,還有待來日的勤奮深掘。

註解

註一:客星指新出現的星,意義上包含彗星等在太陽系內遊走的天體,惟不在本文範疇。

註二:金星是地球的夜空中最明亮的星,清晨及黃昏也可見。古時稱金星出現於黃昏為「太白」、「長庚」,出現於清晨為「啟明」。

註三:人類聽見的聲音主要來自空氣分子的震盪,只要震盪頻率在 20~20000 Hz 的範圍,並且經由介質傳遞使耳膜震動,我們就能聽見。雖然重力波是時空震盪,無法直接以耳朵聽見,但概念上類似,因此常見到科學家將重力波訊號轉換成「音訊」,方便人們感受。

註四:多信使天文學(Multi-messenger astronomy)指利用多種訊號探索宇宙的現象。不同於早期僅以可見光探看宇宙,人類如今能夠探測光子、電磁波、微中子、重力波和宇宙射線等高能帶電粒子。透過這些訊號,可以傳達不同面向的資訊,協助我們拼湊出單一宇宙現象更細緻的原貌。GW170817 事件除了以重力波和電磁輻射觀測,亦有微中子觀測站參與,只是沒有找到相關聯的微中子訊號,因此理論在這方面尚未證實,有待解惑。

延伸閱讀

參考資料

  1. Li, KL., Metzger, B.D., Chomiuk, L. et al. (2017). A nova outburst powered by shocks. Nat Astron 1, 697–702. https://doi.org/10.1038/s41550-017-0222-1
  2. Aydi, E., Sokolovsky, K.V., Chomiuk, L. et al. Direct evidence for shock-powered optical emission in a nova. Nat Astron 4, 776–780 (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1070-y
  3. Gal-Yam, A. (2019). The most luminous supernova. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 57, 305–333. https://doi.org/10.1146/annurev-astro-081817-051819
  4. Metzger, B.D., Martínez-Pinedo, G., Darbha, S., Quataert, E., Arcones, A., Kasen, D., Thomas, R., Nugent, P., Panov, I.V., Zinner, N.T.. (2010). Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 406(4), 2650–2662. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2010.16864.x
  5. Smartt, S., Chen, TW., Jerkstrand, A. et al. (2017). A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source. Nature 55175–79 . https://doi.org/10.1038/nature24303
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恆星將如何死去?——《解密黑洞與人類未來》
天下文化_96
・2022/01/01 ・2403字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者 / 海諾.法爾克 (Heino Falcke)、約格.羅默(Jörg Römer)
  • 譯者 / 姚若潔

發生在天上的死亡事件:超新星爆炸

公元 1054 年,全世界的人都驚訝的仰望天空。有些人可能擔心巨大的災難即將發生。中國北宋的天文學家精確記下這場天空中的驚人事件,記錄到蒼穹中有顆與金星(太白)一樣明亮的「客星」。一名阿拉伯醫生甚至認為這是一顆新星而記錄下來。

左下方的亮點是位在 NGC 4526 星系的一顆「客星」,名為 SN 1994D。圖/WIKIPEDIA by NASA/ESA

在歐洲,雖然並未留下確鑿的目擊紀錄,人們或許也驚訝的看著占據午後天空的「明亮圓盤」。那麼,到底是什麼驚人事件,讓世界各地都有人記下這個現象?

其實是超新星,一種規模巨大的恆星爆炸事件。它發生在我們的銀河系內,距我們六千光年之遙。培布羅長者曾坐著之處的岩石雕刻中,顯示了半圓形的月亮,以紅色畫在黃色的峭壁表面。在半月旁,是一顆清晰可見的巨大星星,圓形四周射出光芒——就像小孩子可能畫出的表現方式。它幾乎和月亮一樣大。公園解說員告訴我們,這就是當時美洲原住民藝術家所描繪的超新星。我們這群天文學家並沒有完全被說服。專家仍在爭論這幅畫到底是不是在描繪 1054 年的超新星爆炸。但我同時也覺得,他們不太可能沒注意到如此不尋常的事件。

太陽將如何死去?

你可以把恆星想像為一個熱氣球。核心的熱讓它保持充氣狀態。一旦燃料用盡,裡面的氣體冷卻下來,壓力降低,氣球便開始扁掉。恆星以類似方式面臨自己的終結。一旦燃料燒完後,恆星便塌縮。不過恆星如何及何時「死去」,要視其質量而定。較輕的恆星(大多數恆星都屬於這類)在經過漫長的一生後消耗殆盡,最後悶燒熄滅。

我們的太陽擁有一般的壽命。當它開始向內部塌陷時,仍能夠啟動自己的後燃器。在恆星的中央,核融合的灰燼(高熱的氦核)會累積起來。在恆星內爆的內部高壓之下,溫度再次上升,氦會融合為碳,釋放出最後所存的能量,「表皮」因此開始膨脹。就在壽命即將終結之時,太陽會膨脹,變成一顆紅巨星,吞噬掉水星、金星,可能甚至包括地球。

太陽成為紅巨星時會誇張的膨脹。圖為的當前太陽和將來成為紅巨星時的大小比較。圖/WIKIPEDIA by Oona Räisänen

白矮星的誕生

質量大於我們太陽的恆星,在臨終喘息時會向外噴出氣體和電漿。行星狀星雲形成,將死的恆星從內部提供光照,呈現出美妙的形狀與色彩。這個奇景對宇宙來說只是一眨眼的時間;數千年後,這些行星狀星雲便會褪色。行星狀星雲這名稱有點誤導,因為它和行星毫無關係,只是因為在十八世紀發現到時,從當時的望遠鏡中看起來很像是由氣體構成的遠方行星。

在中心位置,是核融合的壓縮灰燼,整個恆星的重量都集中在此。壓力變得如此之大,使得原子逐漸擠在一起,直到摩肩接踵而完全沒有空間留下。然後電子壓力讓這顆星無法繼續塌縮。在恆星核心處繞行原子核的電子稱為「費米子」(fermion)。費米子是物理界的獨行俠,它不會與任何其他費米子同床共枕。當周遭變得太擠時,費米子抗衡了重力帶來的壓力,因而阻止了燃燒殆盡的核心完全崩塌。

如果恆星的外層已經脫去,那麼剩下來的就是一顆體積小、緊緊壓縮、發出亮光的碳核,也就是白矮星(white dwarf),大小相當於地球,但重量相當於太陽。我們的太陽再過數十億年後會變成白矮星,白矮星的組成物只要一茶匙就重達九噸,相當於一輛貨車。白矮星的表面十分酷熱,在很長的時間中會繼續把熱能輻射到太空,直至最後,這顆死星終於變成一顆冰冷、完美球型的碳結晶,成為太空中的巨大鑽石。

哈伯太空望遠鏡拍攝的天狼星 A 和 B。天狼星 B 是一顆白矮星,位在非常明亮的天狼星 A 左下方。圖/WIKIPEDIA

這個過程有不同的量子力學效應參與,印度物理學家錢卓塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)曾對此進行計算。1930 年,年僅十九歲的錢卓塞卡搭船前往英格蘭,以便在劍橋繼續他在印度時即已開始的物理學研究。在航程中他的時間很多,因此決定著手計算白矮星可能的最大質量,並得到 1.44 太陽質量的結論。

不過,如果一顆恆星比我們的太陽更大又重上許多,其壓力提高到根本無法承受的程度時,又會發生什麼事?一顆重量比我們太陽大超過八倍的恆星,會點燃更多後燃器而避免塌縮。這顆巨大太陽的核心像洋蔥般,一層又一層燒掉自己。愈接近核心的內層愈熱,在燃燒各層的灰燼時,除了把每一層所儲存的能量釋放出來之外,也形成更大的原子核。氫變成氦,氦變成碳,碳和氦變成氧,氧變成矽,而矽變成鐵。每一個燃燒過程都比前一個更快。氦要燒成碳需要一百萬年,然而全部的矽融合成鐵只需要幾天時間。

然後,事情到此為止!從能量的角度而言,鐵具有自然界中最為緊實的原子核。如果壓力夠大,鐵還能融掉而形成更多新的元素,但這個過程不會再產生更多新能量,反而需要吸收能量。忽然間,增加壓力以便從原子裡擠出更多能量的單純伎倆不再管用。就這樣,原子不再升溫,而是進入降溫過程;壓力不再提高,而是降低。這顆垂垂老矣的星星終於喪失最後的勉強支撐,墮入死亡。幾分鐘之內核心內爆——這顆步入死亡的星星再也無法承受自己的重力。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾.法爾克、約格.羅默,2022 年 1 月,天下文化

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