比超新星劇烈百倍的特超新星,只出現在宇宙初期,臺灣天文科學家模擬其爆發過程

天空之城 2020/10/13 檢舉 我要評論

超新星是宇宙中最美麗的「煙火」,垂死的恒星通過最後的掙扎,留給宇宙最後的一次絢爛。

在超新星爆發的背後,除了視覺之美,還有科學之美。超新星在爆發的時候,會經歷一系列複雜的變化,這些變化都是在非常極端的條件下才會發生的,我們在實驗室中很難發現。同時,它們會產生大量比氫和氦重的元素。 這些元素改變了整個宇宙的面貌,讓宇宙更加多元化,這也是生物出現的基礎

而在所有的超新星爆發中,有一種最為劇烈,也最為神秘。它的威力如此之大,以至於科學家們給它起了個更震撼的名字—— 特超新星(hypernova,也有翻譯為超超新星的)。

為了探究特超新星的秘密,科學家們進行了無數的嘗試。如今,來自臺灣的天文學家陳科榮以及來自加州大學聖克魯斯分校的S. E. Woosley、朴茨茅斯大學的Daniel J. Whalen等人,利用超級電腦,以史無前例的方式,類比了超級超新星的爆發過程。

特超新星,宇宙的極致絢麗

所謂的特超新星,都是來自於極其巨大的恒星,它們的品質通常是太陽的130-250倍,能量巨大,所以爆發的時候威力也比普通超新星強100倍左右。

特超新星的形成有兩種管道:一是 核心坍縮,二是 不穩定對

坍縮:在恒星演化末期,核心處聚變減緩,對抗自身引力的外壓隨之降低,最終在突破臨界值後發生內核的坍縮。在這種情況下出現的超新星爆發,會導致它留下一顆中子星或者黑洞的遺骸。 不穩定對:這是一種非常特殊的超新星,叫做 不穩定對超新星(pair-instability supernova),只出現在品質在太陽130-250倍之間的恒星中。在這樣的恒星核心處,經常會有電子與反電子對的出現,降低了核心處對抗引力的壓力。 這種不穩定性導致了恒星發生熱核爆炸,最終恒星被完全炸碎,一點遺骸都不會留下

(圖片說明:不穩定對超新星爆發原理示意圖,其核心處的高能伽馬射線是產生正負電子對的根本原因)

該團隊主要研究的,就是不穩定對超新星。

看不見的第一代恒星

可是,想要觀測特超新星,比觀測普通的超新星要難得多,因為這樣的大品質恒星實在太少了。別看網上到處都是巨大恒星和太陽的對比,實際上我們發現的大品質恒星並不多,尤其是超過130倍太陽品質的。

宇宙中的確曾經有一段時期充滿了如此巨大的恒星,那就是大爆炸後不足3億年左右的時期。那個時候,宇宙第一代恒星剛剛形成,它們全都是這樣的巨無霸。第一代恒星又叫 星族 III星,普遍是極其巨大,並且發出耀眼的藍色光芒的天體。

(圖片說明:藝術家繪製的第一代恒星假想圖)

它們出現得早,死亡得也快,別說是哈勃太空望遠鏡,即使是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,也未必能夠看到那麼古老的宇宙。因此,與其苦苦等待著一個不知道什麼時候才能問世的更加強大的望遠鏡,不如另闢蹊徑。於是,他們決定利用超級電腦,類比特超新星爆發的過程。

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