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1987年2月23日,一位加拿大天文學家在大麥哲倫星雲中發現了一顆5等星,它很快就被證實是一顆超新星,立即在世界各國的天文學界引起了轟動。這是自1604年以來第一顆用肉眼就能看到的超新星,而且大麥哲倫雲的距離是16萬光年,是離地球最近的星系。這顆超新星被命名為1987A超新星。它是20世紀最大的天體物理事件之一。

1 1987A超新星 -簡介

1987A超新星1987A超新星

超新星現象很少,銀河系中自1604年發現蛇夫座超新星以來,還從來沒有過。其他星系中的超新星,每年總能發現幾顆,但終究太遙遠,往往是幾百萬光年或更遠。1987年2月23日,一位加拿大天文學家在大麥哲倫星雲中發現了一顆5等星,它很快就被證實是一顆超新星,立即在世界各國的天文界引起了轟動。自1604年以來,這是第一顆用肉眼就能容易地看到的超新星。尤其是它是在大麥哲倫雲中,而大麥哲倫雲的距離是16萬光年,是離地球最近的星系。這顆被命名為1987A超新星的超新星是近400年來所未曾有過的,它是20世紀最大的天體物理事件。

2 1987A超新星 -發現

1987A超新星1987A超新星

1987年2月23日,天文學家目睹了400多年來最明亮的一起恆星爆炸事件。隨後的幾個月內,這顆被稱為1987A的超新星一直光彩奪目,亮度相當於1億顆太陽。 哈勃太空望遠鏡2006年12月拍攝的1987A超新星遺迹。

20年來,地面和太空的許多大望遠鏡,包括NASA的哈勃太空望遠鏡在內,都對超新星1987A進行過觀測。這些觀測結果已經大大改變了天文學家對大質量恆星死亡方式的認識,其中最重要的一些線索,應當歸功於哈勃望遠鏡的敏銳視力。

「哈勃望遠鏡拍攝的清晰照片,不僅提出了許多有關超新星1987A的新問題,還幫助我們找到了答案,」美國哈佛-史密森天體物理中心的羅伯特·科什納(Robert Kirshner)說。「事實上,如果沒有哈勃,我們甚至不知道該從哪些問題入手展開研究。」

科什納領導著一個國際合作小組,對這顆死亡的恆星展開了研究。研究類似1987A的超新星非常重要,因為這些爆炸的恆星會產生碳和鐵之類的重元素,這是形成新恆星、星系,乃至人類的重要原料。例如,我們血液之中的鐵,就是由超新星爆炸產生的。1987A拋出的放射性鐵元素質量相當於2萬顆地球。

1987A超新星超新星1987A的氣體環

這顆超新星距離地球16.3萬光年,位於大麥哲倫雲中。事實上,它是在公元前161000年左右爆發的,但它的光直到1987年才抵達地球。

「哈勃的觀測幫助我們改寫了有關超新星的教科書。我們發現,真實世界的複雜和有趣遠遠超過任何人最大膽的想象。」科什納解釋說,在1987A出現之前,天文學家已經有了一套簡單的、理想化的超新星模型。「我們當時簡單地認為恆星的爆炸是球對稱的,而且沒有考慮爆炸之前的數千年裡恆星噴出的氣體。超新星1987A的爆炸碎片殘骸其實是橢圓形的,並非球形;飛速噴濺的碎片正在撞入數千年前形成的氣體環中。這些都是我們之前無法想象的。」

天文學家最初發現超新星1987A時,哈勃望遠鏡還沒有上天。3年後哈勃成功升空,天文學家馬上將它瞄向了這顆爆炸的恆星。哈勃對1987A的觀測始於1990年,至今已經拍攝了數百張照片。

3 1987A超新星 -揭秘

1987A超新星1987A超新星

哈勃拍攝的照片可以清楚地看到衝擊波撞入氣體環的過程。被衝擊波加熱的氣體團塊,使發光氣體環變成了一串珍珠項圈。天文學家認為,再過幾年,整個氣體環都將變亮。到那時,氣體環的亮度足以照亮這顆恆星的周圍區域,天文學家就能獲得爆炸發生之前,恆星拋射物質方面的更多信息。

哈勃太空望遠鏡從1994年到2006年拍攝的超新星1987A,揭示了衝擊波撞入氣體環,加熱其中氣體,使它們發光變亮的過程。

「衝擊波將穿過內環,撞入外環,並使它們發光,到那時我們將了解更多細節。」科什納說:「衝擊波會帶著我們追溯恆星爆炸前2萬年的歷史。不過還有許多未解之迷有待研究。我們仍然不知道恆星爆炸之前的演化過程,也不清楚三個氣體環的形成機制。」

1987A超新星中子星-內部結構模型圖

天文學家還在繼續尋找死亡恆星的殘骸——黑洞或中子星的下落。大質量恆星的死亡通常會產生這種緻密天體。大部分天文學家認為,20年前的爆炸已經產生了一顆中子星,不過目前仍然沒有找到它存在的線索。科什納說,這顆中子星可能被塵埃掩蓋了,也有可能形成的是黑洞,而不是中子星。

如果哈勃太空望遠鏡能夠恢復正常,並按計劃更新設備,科什納打算利用新設備的紅外觀測能力尋找這個殘骸。預計在2013年發射升空的詹姆斯·韋布望遠鏡,將擁有比哈勃望遠鏡更加敏銳的視力;界時,氣體環也將變得更加明亮,天文學家將擁有更好的機會,深入剖析這顆爆炸恆星的內部過程。

1987A超新星1987A超新星的氣體環

錢德拉(Chandra)太空望遠鏡最近所做的觀測,已經揭露了超新星1987A周圍火焰環的新細節。這些數據為這顆厄運之星在爆炸之前的最後幾年內的行為提供了新的認識,並且暗示, 該恆星亮環的預期顯著增亮已經開始了。 

超新星1987A的光學和X射線圖像,左圖為錢德拉望遠鏡拍攝的X射線圖像,右側是哈勃望遠鏡拍攝的光學圖像。Image credit: NASA/CXC/PSU 這顆超新星是在距離地球僅160,000光年的大麥哲倫雲中爆炸的,曾經肉眼可見,是近400年來已知最明亮的超新星。爆炸的地點被確定到了一顆藍色超巨星上,它被稱為Sanduleak -69º 202(簡稱為SK-69),質量估計為太陽的20倍左右。 後續的光學、紫外和X射線觀測已經使得天文學家們拼湊出了這樣一幅SK-69的演化場景:大約一千萬年前,這顆恆星誕生於一片黑暗緻密的塵埃氣體雲中。

大概一百萬年前,這顆恆星在緩慢移動的星風之中損失了它外層的絕大部分質量,在周圍形成了巨大的氣體雲;在恆星爆炸之前,它的熾熱表面吹出的高速星空在周圍的寒冷氣體雲中推開了一個空洞。 來自於超新星的強烈紫外閃光照亮了空洞的邊緣,形成了哈勃(Hubble)空間望遠鏡所看見的明亮圓環。與此同時,超新星爆炸也產生了一個激波,在空洞中呼嘯著向外推進。

1999年,錢德拉拍到了這個激波,天文學家們已經在熱切地等待著這個激波撞上空洞的邊緣。在那裡,它將會遭遇到緻密得多的氣體,這是恆星在紅超巨星階段吹出的星風物質堆積而成的。這樣的遭遇會使得X射線輻射產生戲劇性的增長。來自於錢德拉和哈勃太空望遠鏡的最新數據暗示,這個深受期待的事件已經開始了。 光學熱斑正環繞在亮環上,就像一串燦爛奪目的鑽石項鏈。錢德拉的圖片則揭露了出現在光學熱斑位置上的、數百萬度的熾熱氣體。

1987A超新星1987A超新星

超新星1987A周圍亮環的理論模型示意圖。黃色的激波在向外傳播的過程中,遭遇到外圍緻密氣體向內側突起的氣體團塊(白色)。它們之間的 碰撞將氣體團塊加熱,釋放出可見光和X射線輻射。激波后側的氣體和激波外圍的氣體溫度都還不高,不足以發出X射線。Image credit: NASA/CXC/M.Weiss 錢德拉獲得的X射線光譜提供了證據,表明光學熱斑和產生X射線的氣體都是由於激波和氣體的碰撞而產生的,前者是不斷向外推進的超新星激波,而後者則是環繞恆星的氣體環中,向內側突出的寒冷氣體團塊。

這些團塊是很久以前,高速星風與環繞恆星的緻密氣體雲相互作用的結果。 這些緻密的團塊和可見的環恆星亮環僅僅是一個巨大得多的物質包層的內側邊緣,其中包含的物質總量尚不清楚,它們都是很久以前被SK -69拋射出來的。隨著激波繼續闖入這片緻密的氣體雲,激波產生的紫外線和X射線輻射將會加熱更多環繞在恆星周圍的氣體。 錢德拉在不同時間拍攝到的亮環的變化過程。

4 1987A超新星 -拍攝時間

這些圖片的拍攝時間依次是2000年1月17日、2000年12月7日、2001年4月25日、2001年12月1日、2002年5月15日、2002年12月31日、2003年7月8日、2004年1月2日、2004年7月22日和2005年1月9日。

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