暴露超新星前身的铁元素“指纹”
Francis Reddy
译自NASA，2014年7月2日
一个国际天文小组使用日本领导的朱雀X射线卫星获取的数据发展出了一种强有力的方法来分析超新星遗迹，也就是恒星爆发留下的膨胀残片云。这一方法为科学家提供了一种方法来快速区分爆发的类型，并提供了星体摧毁前周边环境的信息。
研究的领导者、马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）NASA戈达德航天中心的山口弘悦说：“超新星会在遗迹中留下可以揭示爆发及其周边环境本质的X射线痕迹。在朱雀卫星的帮助下，我们正在学习如何解释这些信号。”
这一技术需要观测来自超新星遗迹核心铁原子的特定X射线辐射。甚至在数千年后，这些原子仍旧极其炽热。地球上正常条件下铁原子周围的26个电子在这里被大半剥离了。这种金属是在破碎的恒星产出能量的一生走到尽头，并迎来爆发性的死亡之时，在它们的核心形成的，是恒星死亡的关键见证者。
朱雀卫星对23个超新星遗迹（包括图中的几个例子）的观测揭示出了大质量恒星与白矮星爆发之间的区别。电离铁原子K-α发射线的X射线峰值能量是快速辨认爆发源头的指纹。大图请点击（图片提供：NASA’s Goddard Space Flight Center）
研究小组成员、戈达德X射线天体物理实验室的负责人罗伯特·彼得（Robert Petre）说：“由于朱雀卫星比其他任何X射线设备对铁元素发射线都更加灵敏，它是在这些能段上研究超新星遗迹的理想工具。”朱雀卫星于2005年进入地球轨道，它是日本的第5颗X射线天文卫星，由美国和日本联合开发运营。
天文学家估计，超新星在银河系中每百年会发生一到两次。每次一场冲击波和炽热的恒星残片壳层会从爆发点迅速膨胀开来，形成一个超新星遗迹，在数万年之后仍旧可以探测到。这些膨胀的云团随着时间的推移与星际气体相混合并减速，最终与周边融为一体。
根据触发事件，超新星可以分为两大类。一类被称为核心坍缩型超新星，当诞生质量大于太阳8倍的恒星出现能源危机，并在自身重量的作用下坍缩爆发时就会发生。
另一类是Ia型超新星，它是白矮星的彻底瓦解。白矮星是类太阳恒星产生的致密残骸。虽然白矮星自身很稳定，但当它们与其他天体结成双星系统时，就会发生失控的热核爆发。这样的事件可以是与另一颗白矮星伴星发生并合，也可以是从普通恒星伴星上偷取气体，最终白矮星的质量达到了稳定的极限。
Ia型超新星非常明亮，可以在整个可观测宇宙中看到。而且每颗这样的星球炸弹都会释放出总量非常接近的能量，这为通过其他手段测量的距离提供了宝贵的检验机会。举例来说，对Ia型超新星的研究让天文学家发现了宇宙的加速膨胀。
将已知或存在疑似类别的超新星遗迹以及峰值铁K-aplha能量画在图上，就可以看到核心坍缩型超新星以及Ia型超新星之间的明显界线了。图中灰线表示误差棒。大图请点击（图片提供：NASA’s Goddard Space Flight Center）
来自宾夕法尼亚州匹兹堡大学的小组成员卡尔斯·巴德尼斯（Carles Badenes）说：“我们研究超新星遗迹最大的挑战之一是，随着超新星遗迹向宇宙膨胀并与星际气体混合，有关爆发的关键信息被日益稀释并愈加难以测量了。有时甚至超新星遗迹最基本的特性（如它是来自Ia型超新星还是核心坍缩型超新星的）都是非常有争议的。”
通过使用朱雀卫星定向追踪铁原子，研究者发现了区分超新星类别的新方法。在研究了银河系以及邻近的伴星系——大麦哲伦云中的23个著名超新星遗迹之后，他们辨认出了铁元素K-α线峰值X射线辐射的明确行为，这种辐射是在电子落向铁原子的低能级K壳层时产生的。
在K-α线辐射下，核心坍缩型超新星产生的遗迹铁元素的温度比Ia型超新星要明显高很多，二者之间在大约6550电子伏特处存在明显的分界线。（作为比较，可见光的能量大约在2到3电子伏特之间。）比这一数值热的遗迹是由核心坍缩型超新星形成的，而温度更低的遗迹是由Ia型超新星形成的。这一技术为超新星遗迹的分类提供了快速明确的方法。
在4月20日的《天体物理学报》杂志上，论文作者将这一区分用爆发前的星周环境作了解释。恒星在整个产能生涯中会产生外流气体（也就是星风），最强的星风是由大质量恒星产生的。当这样的恒星爆发时，它膨胀的残骸会与先前的外流气体相互作用，达到更高的温度，并在遗迹中留下更多的高度电离铁原子。质量较低的恒星产生的是白矮星，它们的星风强度较弱，因此Ia型超新星爆发进入的是更为清洁的环境。与这种超新星发生相互作用的星周介质较少，因此Ia型遗迹并不会过分被加热，所以就存在温度和电离度较低的铁原子。
因此超新星遗迹留下了对周边环境的记忆，让天文学家可以探索核心坍缩型超新星爆发前数光年之内的星周环境。这一新的技术让天文学家可以测量Ia型与核心坍缩型超新星星周物质的数量，从而帮助研究者限定了两类恒星毁灭过程的特定模型，这样的知识可以帮助人们检验并改进对恒星演化的了解。
科学家写道，这一新技术的全部潜力可以通过质量更高的大样本数据发挥出来，预计在2015年下半年发射的Astro-H等未来的X射线任务可以获取这样的数据。对邻近星系中大量X射线超新星遗迹的研究将大大增加我们对这两类恒星爆发的了解。
相关链接：
《使用铁元素K壳层辐射来区分超新星遗迹前身星的类别》论文：http://iopscience.iop.org/2041-8205/785/2/L27/article
朱雀卫星：http://www.nasa.gov/mission_pages/astro-e2/main/
朱雀卫星的“验尸”提供了开普勒超新星的新知（2013年4月8日）：http://www.nasa.gov/mission_pages/astro-e2/news/post-mortem.html
朱雀卫星发现超新星的“化石”火球（2009年12月30日）：http://www.nasa.gov/mission_pages/astro-e2/news/fossil-fireballs.html
全球天文学：跨文化合作：http://globalastro.gsfc.nasa.gov/
Astro-H卫星：http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/astroh/
