找到了遗失的关键:超新星爆炸时生成中子星或黑洞的直接证据

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  这是天文学家首次发现大质量恒星死亡时产生致密天体—中子星或黑洞—的直接证据。

  当大质量恒星接近生命尽头时,由于自身引力的急剧坍缩,引发一场超新星爆炸。天文学家相信,在这爆炸剧变之后,剩下的是恒星的超高密度核心残骸。根据恒星的质量,这高密度核心残骸可能是一颗中子星,密度高到一茶匙的大小重约一兆公斤;或者是一个黑洞,一个引力场大到连光都无法逃离的天体。虽然过去有模型和线索支持这一理论,例如在蟹状星云中发现的中子星,但以前从未真实观察到致密天体生成的过程,这使得超新星爆炸留下中子星或黑洞的直接证据一直难以捉摸。

  2022年5月,南非业余天文学家Berto Monard在距离7500万光年的星系NGC 157的螺旋臂中发现了超新星SN 2022jli。随后两个独立的研究团队(Moore et al. 2023 & Chen et al. 2024)将注意力转向这次爆炸的后续,并发现它具有独特的行为,进而发现了大质量恒星死亡时产生致密天体—中子星或黑洞—的直接证据。在爆炸之后,大多数超新星的亮度会随时间逐渐减弱,通常呈现出「平滑、渐进的下降」的光曲线。但SN 2022jli的行为却非常奇特:随着总体亮度的降低,其变化呈现非连续平滑的趋势,而是每隔约12天上下摆动一次,形成交替出现的明亮和减暗的序列。这是超新星光曲线中首次检测到的重复周期振荡。Moore和Chen两个团队都认为,SN 2022jli系统中存在多颗恒星可能解释了这种行为。实际上,大质量恒星与伴星相互环绕是相当普遍的,被称为双星系统,而SN 2022jli也不例外。然而,引人注目的地方在于,观测发现其系统中氢气呈现周期性运动和周期性的伽马射线爆发,这显示伴星似乎在超新星爆炸过程中幸存,并且可能持续与另一颗超新星互相绕行。尽管无法直接观测到致密天体本身的光,但这种能量激增只能归因于一颗看不见的中子星,或者可能是一个黑洞,定期吸引伴星氢气大气层中的物质,导致氢气的周期性运动和伽马射线的爆发,并在研究人员的数据中表现为亮度的周期波动。这项研究就像是透过收集所有可能的证据解开一个谜题:在超新星爆炸时,黑洞或中子星的存在得到了确认。

这是一幅艺术家手中SN 2022jli系统的超新星爆炸后的画面。大质量恒星爆炸成超新星后,留下一个致密的物体—中子星或黑洞。伴星在爆炸中幸存,致密天体和它的伴星继续互相绕行,致密天体定期从伴星的氢气大气层中吸取物质。这些物质的增加在研究人员的数据中表现为亮度的定期波动,以及氢气的周期性运动和伽马射线的爆发。This artist’s impression shows the process by which a massive star within a binary system becomes a supernova. This series of events occurred in the supernova SN 2022jli, and was revealed to researchers through observations with ESO’s Very Large Telescope (VLT) and New Technology Telescope (NTT). After a massive star exploded as a supernova, it left behind a compact object — a neutron star or a black hole. The companion star survived the explosion, but its atmosphere became puffier as a result. The compact object and its companion star continued to orbit one another, with the compact object regularly stealing matter from the other’s puffy atmosphere. This accretion of matter was seen in the researchers’ data as regular fluctuations of brightness, as well as periodic movements of hydrogen gas. Credit: ESO/L. Calçada
图说:这是一幅艺术家手中SN 2022jli系统的超新星爆炸后的画面。大质量恒星爆炸成超新星后,留下一个致密的物体—中子星或黑洞。伴星在爆炸中幸存,致密天体和它的伴星继续互相绕行,致密天体定期从伴星的氢气大气层中吸取物质。这些物质的增加在研究人员的数据中表现为亮度的定期波动,以及氢气的周期性运动和伽马射线的爆发。Credit: ESO/L. Calçada

  这次的研究观测资料主要利用了欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT)新技术望远镜(NTT)进行观测。随着黑洞或中子星的存在得到确认,SN 2022jli系统还有很多需要揭示的事情,包括致密天体的确切性质,以及这个双星系统可能面临的结局。期待下一代望远镜,如ESO的极大望远镜(ELT),将有助于解开这个谜团,让天文学家揭示这个独特系统的前所未见的细节。(编译/台北天文馆段皓元)

资料来源:ESO Press Release

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