“煙花秀” 中隱藏著大質(zhì)量恒星結(jié)局的秘密
質(zhì)量是太陽八倍以上的大質(zhì)量恒星在生命終點(diǎn)塌縮、爆炸，成為一顆在地球上肉眼可見的 “超新星”。但也許宇宙中有一些大質(zhì)量恒星會(huì)有不一樣的歸宿。
借助歐空局（ESA）牛頓X射線空間望遠(yuǎn)鏡（XMM-Newton），我參與的一個(gè)國(guó)際天文學(xué)者研究團(tuán)隊(duì)通過測(cè)量一個(gè)遙遠(yuǎn)而閃亮的星系中不同元素的比例來研究大質(zhì)量恒星的結(jié)局。
大質(zhì)量恒星是質(zhì)量大于太陽質(zhì)量八倍的恒星，其數(shù)量遠(yuǎn)少于宇宙較為常見的、質(zhì)量和太陽差不多甚至更小的小質(zhì)量恒星。
恒星的質(zhì)量很大程度上決定了恒星的壽命，并決定其將以何種形式結(jié)束一生。小質(zhì)量恒星較為 “長(zhǎng)壽”，如太陽的壽命約為100億年。大質(zhì)量恒星的壽命則若白駒過隙，最長(zhǎng)也不過幾千萬年。
一部分大質(zhì)量恒星將以核塌縮超新星爆發(fā)，即鐵核塌縮后經(jīng)歷一次猛烈爆炸的形式終結(jié)其 “短暫” 的一生 [1]，并釋放出極高的能量。在沒有天光污染的古代，超新星爆發(fā)肉眼可見。漢、宋、明等朝代的古代天文學(xué)家們就記錄了不少數(shù)千年前的超新星爆發(fā)事件，其中《后漢書·天文志》有人類最早的對(duì)超新星（古時(shí)稱為 “客星”）爆發(fā)的記載 [2]。
我們已經(jīng)觀測(cè)到質(zhì)量較小（10到18倍太陽質(zhì)量）的大質(zhì)量恒星可以引發(fā)核塌縮超新星爆炸 [3]。質(zhì)量極大（如150倍太陽質(zhì)量）的大質(zhì)量恒星則以不穩(wěn)定對(duì)超新星的形式爆發(fā)，并直接塌縮成連光都無法逃逸的黑洞。那么以核塌縮超新星爆炸來 “謝幕” 的大質(zhì)量恒星質(zhì)量上限是多少呢？我們研究距離銀河系約1.6億光年的星系A(chǔ)rp 299發(fā)現(xiàn)，這個(gè)質(zhì)量上限很可能是太陽質(zhì)量的23-27倍。
該項(xiàng)成果以 “Elemental Abundances of the Hot Atmosphere of Luminous Infrared Galaxy Arp 299 ” 為題于8月31日發(fā)表于《天體物理學(xué)快報(bào)》（ApJL），我和南京大學(xué)周平是本文的第一、第二作者，荷蘭SRON空間研究所、荷蘭萊頓大學(xué)、美國(guó)肯塔基大學(xué)、日本RIKEN研究所、歐空局ESTEC中心的多位學(xué)者共同參與這一項(xiàng)研究。
太陽所在的銀河系中超新星爆發(fā)事件并不多見。這是因?yàn)殂y河系的恒星形成率較低，即每年所誕生的恒星數(shù)較少。而一些星系的恒星形成率可以是銀河系的數(shù)十上百倍，它們被稱為星暴星系（starburst galaxy）。
距離銀河系約1.6億光年的Arp 299就是一個(gè)正上演著 “煙花秀” 的星暴星系。嚴(yán)格來說，Arp 299是一對(duì)碰撞星系（即兩個(gè)星系相互碰撞）。星系碰撞相互作用驅(qū)動(dòng)著Arp 299極高的恒星形成率。隨著大質(zhì)量恒星們相繼終結(jié)其短暫的一生，一場(chǎng)又一場(chǎng)的超新星爆發(fā) “煙花秀” 隨之而來。
過去近20年中，天文學(xué)家已在Arp 299中觀測(cè)到10例超新星爆發(fā)事件，其中有9例見證了大質(zhì)量恒星生命的終結(jié)。還有1例超新星爆發(fā)的性質(zhì)并無定論?？紤]到Arp 299中所彌漫著的大量塵埃的遮蔽效應(yīng)，我們可能只觀測(cè)到了該星系中10%左右的超新星爆發(fā)事件 [4]。
Arp 299中大量的超新星爆發(fā)釋放了大量的能量，并形成席卷整個(gè)星系的 “超星風(fēng)”。超星風(fēng)將星際空間中的氣體加熱到上百萬度，從而在X射線波段“光芒四射”。超新星爆發(fā)還向星際空間釋放了大量的構(gòu)成下一代恒星所必須的物質(zhì)原料，即氧、氖、鎂、鐵等化學(xué)元素。不同質(zhì)量的恒星所引發(fā)的超新星爆發(fā)會(huì)釋放不同比例的上述元素 [1]。X射線能譜中不同元素的特征發(fā)射線正好可以用來測(cè)量 “煙花秀” 中熱氣體的元素豐度。
一般而言，理論預(yù)期10到40倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星都將引發(fā)核塌縮超新星 [1]。此前也有質(zhì)疑認(rèn)為并非所有大質(zhì)量恒星都將引發(fā)核塌縮超新星，但并未給出具體質(zhì)量上限。
我們從Arp 299的X射線能譜測(cè)得的元素的比例，并結(jié)合不同質(zhì)量恒星的超新星爆炸核合成理論預(yù)期的元素比例，發(fā)現(xiàn)很可能只有10到23或者27倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星會(huì)引發(fā)核塌縮超新星。受限于觀測(cè)誤差和理論模型的簡(jiǎn)并度，我們只能給出質(zhì)量上限的范圍。另一種解釋則是，超新星爆炸核合成理論計(jì)算得出的來源于不同質(zhì)量恒星的超新星爆發(fā)所釋放的元素比例 [1] 有待修正。
事實(shí)上，天文學(xué)家們至今沒有觀測(cè)到18倍以上太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星引發(fā)核塌縮超新星 [4] 的嚴(yán)格證據(jù)。大質(zhì)量恒星若不以超新星爆發(fā)的形式 “謝幕”，則可能直接塌縮成光都不能逃離的黑洞，亦或者僅釋放少量物質(zhì)和能量的暗超新星（faint supernova）[1]。
2019年6月，在西班牙馬德里舉行的關(guān)于天體物理中的熱氣體的科學(xué)研討會(huì) [5] 上，我做了一場(chǎng)關(guān)于星系群和星系團(tuán)內(nèi)熱氣體的元素豐度的報(bào)告。這是我在荷蘭SRON空間研究中心和萊頓大學(xué)攻讀博士階段時(shí)期（2014-2018年）的研究課題之一。該研究按慣例認(rèn)為10倍到40倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星可以通過核塌縮超新星的形式釋放多種元素。周平則做了關(guān)于一個(gè)年輕的超新星遺跡G7.7-3.7的報(bào)告。周平的研究認(rèn)為G7.7-3.7很可能與我國(guó)古代天文學(xué)家于公元386年（晉太元十一年）所記載的超新星（SN 386）爆發(fā)有關(guān)。
在會(huì)議的討論中，我第一次從周平那里得知目前我們觀測(cè)到的核塌縮超新星幾乎都來自于質(zhì)量小于18倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星。也正是基于此次討論，我們于同年10月提交了相關(guān)的XMM-Newton觀測(cè)提案并獲得批準(zhǔn)。
2020年，隨著疫情在全球蔓延開來，一部分地面天文望遠(yuǎn)鏡不得不關(guān)閉。XMM-Newton空間望遠(yuǎn)鏡得益于在家辦公的歐空局相關(guān)工作人員而 “幸免于難”?？傆?jì)約36小時(shí)的對(duì)Arp 299的三次觀測(cè)（2020年3月、5月和11月）也如常進(jìn)行。新的觀測(cè)是已有觀測(cè)總時(shí)長(zhǎng)的近5倍。因此，我們能從質(zhì)量更好的X射線能譜中更準(zhǔn)確地測(cè)量元素豐度并探究其天體物理的起源。
相關(guān)論文：Mao et al. 2021, ApJL, 918, L17
