蟹狀星云。圖片來源：NASA

美國加州大學圣塔芭芭拉分校拉斯坎布雷斯天文臺科學家領導的一個全球團隊，發(fā)現了第一個令人信服的證據，證明了一種新型的恒星爆炸——電子捕獲超新星。

盡管這一理論已被提出40年，但現實世界中卻一直難以找到相應的案例。它們被認為是由大質量超漸近巨分支（SAGB）恒星的爆炸產生的，對此也缺乏證據。這一發(fā)表在《自然—天文學》雜志的發(fā)現，也為公元1054年超新星爆發(fā)的千年之謎提供了新解釋。

歷史上，超新星主要分為兩類：熱核坍縮和鐵核坍縮。

熱核超新星是一顆白矮星在雙星系統中獲得物質后發(fā)生的爆炸。這些白矮星是低質量恒星（質量約為太陽質量的8倍）生命結束后遺留下來的稠密的火山灰核。當一顆大質量的恒星（約是太陽質量的10倍）耗盡核燃料，其鐵核坍縮，產生黑洞或中子星時，就會出現鐵核坍縮超新星。

介于這兩種主要超新星之間的是電子捕獲型超新星。當這些恒星的核心由氧、氖和鎂構成時，它們就會停止聚變；其質量不足以產生鐵核坍縮。

雖然引力總是試圖壓碎一顆恒星，但阻止大多數恒星坍縮的原因，要么是正在進行的核聚變，要么是核聚變已經停止的核心，即原子無法壓縮得更緊。在一個電子捕獲超新星中，氧-氖-鎂核中的一些電子被撞到它們的原子核中，這個過程叫做電子捕獲。這種電子的移除導致恒星的核心在自身重量的作用下彎曲和坍塌，形成了一種電子捕獲超新星。

如果這顆恒星稍微重一些，其核心元素就會融合產生更重的元素，從而延長它的壽命。因此，這是一種與“金發(fā)姑娘效應”（意指剛剛好）情況相反的情況：恒星不夠輕，無法逃脫其核心的坍縮；也不夠重，無法通過不同的方式延長其生命并在之后死亡。

這是1980年由東京大學的Kenichi Nomoto等提出的理論。在過去的幾十年里，理論學者已經制定了關于在電子捕獲超新星和它們的SAGB恒星前身中尋找什么的預測。恒星應該有很多質量，在爆炸前失去了很多，而瀕死恒星附近的質量應該是一種不尋常的化學成分。那么電子捕獲超新星應該很弱，有很少的放射性沉降物，并且在核心有富含中子的元素。

這項新研究是由加州大學圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文臺的博士Daichi Hiramatsu帶隊。他是全球超新星項目（GSP）的核心成員，這是一個由全球科學家組成的團隊，他們在全球范圍內使用數十個望遠鏡。研究小組發(fā)現，超新星SN 2018zd有許多不尋常的特征，其中一些特征是首次發(fā)現的。

這顆超新星相對較近，在ngc2146星系中，距離地球只有3100萬光年，這對它的生存有利。這使得研究小組能夠檢查哈勃太空望遠鏡在其爆炸前拍攝的檔案圖像，探測其潛在的前身星。這些觀測結果與最近在銀河系中發(fā)現的另一顆SAGB恒星一致，但與紅超巨星的模型不一致，紅超巨星是普通鐵核坍縮超新星的前身。

作者瀏覽了所有發(fā)表的關于超新星的數據，發(fā)現雖然有些擁有一些預測電子捕獲超新星的指標，但只有SN 2018zd擁有所有這六種指標：一個明顯的SAGB前身星、強大的超新星前質量損失、不尋常的恒星化學成分、微弱的爆炸、很少的放射性和一個富中子的核心。

“我們一開始問‘這個怪家伙是什么？’”Hiramatsu說，“然后我們研究了SN 2018zd的各個方面，意識到這些可以在電子捕獲場景中得到解釋?！?/p>

這些新發(fā)現也揭示了過去最著名的超新星的一些奧秘。公元1054年，銀河系發(fā)生了一顆超新星，根據中國和日本的記錄，它非常明亮，白天23天內都可以看到，晚上近兩年內可以觀測到。由此形成的蟹狀星云已得到詳細研究。

蟹狀星云以前是一顆能捕獲電子的超新星的最佳候選天體，但它的狀態(tài)并不確定，部分原因是這次爆炸發(fā)生在近一千年前。新結果增加了歷史上的SN 1054是一顆電子捕獲超新星的信心。這也解釋了為什么這顆超新星比模型中要亮：其亮度可能是因為超新星噴出物與SN 2018zd中所看到的原始恒星釋放的物質發(fā)生碰撞而增強的。

東京大學的Ken Nomoto對其理論被證實感到興奮?！拔液芨吲d這個電子捕獲超新星終于被發(fā)現了，它與40年前的蟹狀星云有關。”他說，“我非常感謝為獲得這些觀測所付出的巨大努力。這是觀察和理論結合的一個極好的例子?！?/p>

“對我們所有人來說，這是一個‘頓悟的時刻’，我們結束40年的理論爭議做出了貢獻。”Hiramatsu補充說。

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https://doi.org/10.1038/s41550-021-01384-2


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