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1987a超新星
超新星现象很少,银河系中自1604年发现蛇夫座超新星以来,还从来没有过。其他星系中的超新星,每年总能发现几颗,但终究太遥远,往往是几百万光年或更远。1987年2月23日,一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗5等星,它很快就被证实是一颗超新星,立即在世界各国的天文界引起了轰动。自1604年以来,这是第一颗用肉眼就能容易地看到的超新星。尤其是它是在大麦哲伦云中,而大麦哲伦云的距离是16万光年,是离地球最近的星系。这颗被命名为1987A的超新星是近400年来所未曾有过的,它是20世纪最大的天体物理事件。

1987年2月23日,天文学家目睹了400多年来最明亮的一起恒星爆炸事件。随后的几个月内,这颗被称为1987a的超新星一直光彩夺目,亮度相当于1亿颗太阳。

哈勃太空望远镜2006年12月拍摄的1987a超新星遗迹。

20年来,地面和太空的许多大望远镜,包括nasa的哈勃太空望远镜在内,都对超新星1987a进行过观测。这些观测结果已经大大改变了天文学家对大质量恒星死亡方式的认识,其中最重要的一些线索,应当归功于哈勃望远镜的敏锐视力。

“哈勃望远镜拍摄的清晰照片,不仅提出了许多有关超新星1987a的新问题,还帮助我们找到了答案,”美国哈佛-史密森天体物理中心的罗伯特·科什纳(robert kirshner)说。“事实上,如果没有哈勃,我们甚至不知道该从哪些问题入手展开研究。”

科什纳领导着一个国际合作小组,对这颗死亡的恒星展开了研究。研究类似1987a的超新星非常重要,因为这些爆炸的恒星会产生碳和铁之类的重元素,这是形成新恒星、星系,乃至人类的重要原料。例如,我们血液之中的铁,就是由超新星爆炸产生的。1987a抛出的放射性铁元素质量相当于2万颗地球。

这颗超新星距离地球16.3万光年,位于大麦哲伦云中。事实上,它是在公元前161000年左右爆发的,但它的光直到1987年才抵达地球。

“哈勃的观测帮助我们改写了有关超新星的教科书。我们发现,真实世界的复杂和有趣远远超过任何人最大胆的想象。”科什纳解释说,在1987a出现之前,天文学家已经有了一套简单的、理想化的超新星模型。“我们当时简单地认为恒星的爆炸是球对称的,而且没有考虑爆炸之前的数千年里恒星喷出的气体。超新星1987a的爆炸碎片残骸其实是椭圆形的,并非球形;飞速喷溅的碎片正在撞入数千年前形成的气体环中。这些都是我们之前无法想象的。”

天文学家最初发现超新星1987a时,哈勃望远镜还没有上天。3年后哈勃成功升空,天文学家马上将它瞄向了这颗爆炸的恒星。哈勃对1987a的观测始于1990年,至今已经拍摄了数百张照片。哈勃的观测揭露了这颗超新星的许多细节,列举如下:

哈勃拍摄的照片可以清楚地看到冲击波撞入气体环的过程。被冲击波加热的气体团块,使发光气体环变成了一串珍珠项圈。天文学家认为,再过几年,整个气体环都将变亮。到那时,气体环的亮度足以照亮这颗恒星的周围区域,天文学家就能获得爆炸发生之前,恒星抛射物质方面的更多信息。

哈勃太空望远镜从1994年到2006年拍摄的超新星1987a,揭示了冲击波撞入气体环,加热其中气体,使它们发光变亮的过程。

“冲击波将穿过内环,撞入外环,并使它们发光,到那时我们将了解更多细节。”科什纳说:“冲击波会带着我们追溯恒星爆炸前2万年的历史。不过还有许多未解之迷有待研究。我们仍然不知道恒星爆炸之前的演化过程,也不清楚三个气体环的形成机制。”

天文学家还在继续寻找死亡恒星的残骸——黑洞中子星的下落。大质量恒星的死亡通常会产生这种致密天体。大部分天文学家认为,20年前的爆炸已经产生了一颗中子星,不过目前仍然没有找到它存在的线索。科什纳说,这颗中子星可能被尘埃掩盖了,也有可能形成的是黑洞,而不是中子星。

如果哈勃太空望远镜能够恢复正常,并按计划更新设备,科什纳打算利用新设备的红外观测能力寻找这个残骸。预计在2013年发射升空的詹姆斯·韦布望远镜,将拥有比哈勃望远镜更加敏锐的视力;界时,气体环也将变得更加明亮,天文学家将拥有更好的机会,深入剖析这颗爆炸恒星的内部过程。

钱德拉(chandra)太空望远镜最近所做的观测,已经揭露了超新星1987a周围火焰环的新细节。这些数据为这颗厄运之星在爆炸之前的最后几年内的行为提供了新的认识,并且暗示, 该恒星亮环的预期显著增亮已经开始了。  超新星1987a的光学和x射线图像,左图为钱德拉望远镜拍摄的x射线图像,右侧是哈勃望远镜拍摄的光学图像。image credit: nasa/cxc/psu 这颗超新星是在距离地球仅160,000光年的大麦哲伦云中爆炸的,曾经肉眼可见,是近400年来已知最明亮的超新星。爆炸的地点被确定到了一颗蓝色超巨星上,它被称为sanduleak -69º 202(简称为sk-69),质量估计为太阳的20倍左右。 后续的光学、紫外和x射线观测已经使得天文学家们拼凑出了这样一幅sk-69的演化场景:大约一千万年前,这颗恒星诞生于一片黑暗致密的尘埃气体云中;大概一百万年前,这颗恒星在缓慢移动的星风之中损失了它外层的绝大部分质量,在周围形成了巨大的气体云;在恒星爆炸之前,它的炽热表面吹出的高速星空在周围的寒冷气体云中推开了一个空洞。 来自于超新星的强烈紫外闪光照亮了空洞的边缘,形成了哈勃(hubble)空间望远镜所看见的明亮圆环。与此同时,超新星爆炸也产生了一个激波,在空洞中呼啸着向外推进。 1999年,钱德拉拍到了这个激波,天文学家们已经在热切地等待着这个激波撞上空洞的边缘。在那里,它将会遭遇到致密得多的气体,这是恒星在红超巨星阶段吹出的星风物质堆积而成的。这样的遭遇会使得x射线辐射产生戏剧性的增长。来自于钱德拉和哈勃太空望远镜的最新数据暗示,这个深受期待的事件已经开始了。 光学热斑正环绕在亮环上,就像一串灿烂夺目的钻石项链。钱德拉的图片则揭露了出现在光学热斑位置上的、数百万度的炽热气体。 超新星1987a周围亮环的理论模型示意图。黄色的激波在向外传播的过程中,遭遇到外围致密气体向内侧突起的气体团块(白色)。它们之间的 碰撞将气体团块加热,释放出可见光和x射线辐射。激波后侧的气体和激波外围的气体温度都还不高,不足以发出x射线。image credit: nasa/cxc/m.weiss 钱德拉获得的x射线光谱提供了证据,表明光学热斑和产生x射线的气体都是由于激波和气体的碰撞而产生的,前者是不断向外推进的超新星激波,而后者则是环绕恒星的气体环中,向内侧突出的寒冷气体团块(见上图的模型示意图)。这些团块是很久以前,高速星风与环绕恒星的致密气体云相互作用的结果。 这些致密的团块和可见的环恒星亮环仅仅是一个巨大得多的物质包层的内侧边缘,其中包含的物质总量尚不清楚,它们都是很久以前被sk -69抛射出来的。随着激波继续闯入这片致密的气体云,激波产生的紫外线和x射线辐射将会加热更多环绕在恒星周围的气体。 钱德拉在不同时间拍摄到的亮环的变化过程。这些图片的拍摄时间依次是2000年1月17日、2000年12月7日、2001年4月25日、2001年12月1日、2002年5月15日、2002年12月31日、2003年7月8日、2004年1月2日、2004年7月22日和2005年1月9日。右下侧是可见光图像与x射线图像合并的结果。image credit: x-ray: nasa/cxc/psu/s.park & d.burrows.; optical: nasa/stsci/cfa/p.challis 接下来,就像理查德·迈卡雷(richard mccray),一位参与了这项钱德拉研究的科学家所指出的,“超新星1987a将照亮它自己的过去。”
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