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2017-11-27

不死的超新星iPTF14hls

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 11:05 pm

超新星爆发应该算是众所周知的天文学概念了。Ia型超新星源于质量过大无法依靠电子简并压支撑自身的白矮星,Ib/Ic/II型则是大质量恒星濒死时分核心发生坍缩后的产物。但无论哪种情况,正统的超新星都是一锤子买卖,复发于情于理都是相当说不过去的,但最近天文学家偏偏还就发现了这样一起另类事件。

这次事件的主角名叫iPTF14hls,它是由帕洛玛中间瞬变工厂(Intermediate Palomar Transient Factory,简称iPTF)发现的超新星之一,于2014年9月22日第一次被人注意到,在R波段的最高星等达到了17.7等左右。随后根据这颗位于5亿多光年外的超新星最初几个月的光变行为和光谱,iPTF14hls被归为II-P型,也就是光谱中具备氢线,且光变曲线表现出平台期的超新星,应该起源于大质量恒星的死亡,而平台的出现则意味着前身星拥有较厚实的氢元素包层,电离氢在爆发冲击波扫过包层后的再复合过程导致在一段时间内光度近似保持不变。

iPTF14hls被发现时的影像。(图片来源:Arcavi et al. 2016

事情发展到这里都还算一切正常。但在随后的两年里,iPTF14hls可谓怪事频发。首先对于一般的II-P型超新星来说,平台期持续不过百余日,随后光度一路衰减,最终消失不见;但iPTF14hls却坚持了600余日拒不减暗,期间反复增亮了至少4次,每次持续时间与间隔不定,堪称已知超新星的仅见,其活动时间之长也创下了记录;而且其爆发释放的能量相较其他同类型事件来说明显算是偏高的一个。

iPTF14hls发现后100-600日内的光变曲线。(图片提供:LCO/S. ​Wilkinson)

更有意思的是iPTF14hls的光谱行为。在超新星光度出现反复期间,其辐射的等效黑体温度约为5000到6000开尔文——这与典型II-P型超新星平台期表现出的氢元素再复合温度一致。而其光谱演化的速度明显跟不上光度的变化,较其他超新星更是岂止慢了半拍,几乎慢了10倍之多。这颗超新星的另一个特殊之处是,在普通超新星光谱中,随着时间的推移,不同元素的谱线速度都会表现出或多或少的减慢;但iPTF14hls的铁线速度保持恒定,氢线在600天中也只减速了1/4而已,幅度远比其他类似事件为小。

iPTF14hls发现后600日内的氢(绿色与蓝色)和铁元素(红色)谱线速度演化,较左侧的“正常”超新星SN 1999em明显放慢不说,不同元素的速度演化也不尽相同。(图片来源:Arcavi et al. 2016

一般来说,观测上谱线速度的恒定不变要么意味着谱线的辐射区位于爆发的光球(对应光深等于1的区域)之外较远处,不受光深变化的影响;要么是超新星的中心能源从内向外将喷射物扫入一个致密的薄壳层。不过倘或后一种情况成立,那么各种元素的位置近似一致,谱线速度也应该是相同的,这显然不符合iPTF14hls的实测情况,所以可能性就只剩下了一种:谱线发射源于与光深无关的外围。由此问题就出现了,发射谱线的物质从何而来?难道是早先某次可能的“预爆发”留下的遗产?

还别说,根据帕洛玛巡天的历史观测记录,这颗超新星很可能已经在1954年2月发作过一次,之后的60年里有无动静就实在不好判断了。所以iPTF14hls的古怪之处岂止是2014年爆发过后数百日来不得消停,还包括之前数十年间发生过重复爆发。超新星又不是那些光度低得多、本质上伤筋不动骨的新星,焉能出现如此怪事?

帕洛玛巡天在1954年(左)与1993年(右)对iPTF14hls周边天区进行的观测,可见1954年很可能在这颗超新星所在的同一位置出现过一次爆发。(图片提供:POSS/DSS/LCO/S. ​Wilkinson)

对于标准的超新星爆发图景而言,这自然是不可能的。要是考虑中心能源驱动呢,比如新生恒星的自转减慢或是吸积物质的回落?也不太像,因为这一理论预言的早期光度过高,且无力应对光变曲线中的多次增亮。而喷射物和星周介质的相互作用又如何?这样的作用往往会伴以射电或高能辐射,可是观测上并无相应信号的探测,所以该模型也被排除。

剩下的一种可能性就是脉动生对不稳定超新星了。生对不稳定超新星的前身天体质量极大(初始质量达到了太阳的95到130倍),因此在其生命的最后阶段,星体内部温度和压强极高,允许核反应生成的光子转化为正负电子对,由此诱发热核不稳定性的发生,诱发一系列的较小规模的重复爆发,每一次都要抛出数倍于太阳质量的物质,观测上的表现类似于经典超新星,又有所不同。当然,如果不稳定性足够强,整颗恒星也有可能被直接掀飞,那就是另一回事了。

生对不稳定超新星的示意图。(图片来源:Woosley 2017

如上图所示,在iPTF14hls三年前开始爆发之时,星体最先抛出的是以红色表示的氢包层。氢包层在接下来的一年里运行两千天文单位的距离;随后稍晚些时候抛出、由其他成分组成的包层与氢包层在更靠近前身星的地方相撞,并发出相应的辐射。但这个过程目前只是估测可行,细节上或许并不能保证观测所见的温度恒定,且能量貌似也存在问题,尚且谈不上完美。

现在人们并不能确定2014年的爆发是否算是iPTF14hls前身星的生命终结,或者这个事件在未来会不会再度复发。但它至少告诉天文学家,天体演化的未知数仍旧很多,哪怕像大质量恒星死亡这样之前以为早已不存在太多疑问的东西,也还是需要更多的观测事实来修正和补充,而iPTF14hls就提供了这样一个机会,它在日后的表现无论如何,都将为人带来新知。

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