电子捕获超新星 2018zd（右侧的大白点）和主星暴星系 NGC 2146（左侧）的拉斯康布雷斯天文台和哈勃太空望远镜彩色合成。 图片来源：NASA/STScI/J。 德帕斯夸莱； 拉斯坎布雷斯天文台
由拉斯坎布雷斯天文台的科学家领导的一个全球团队发现了第一个令人信服的证据，证明了一种新型恒星爆炸——一种电子捕获超新星。 虽然它们已经被理论化了 40 年，但现实世界的例子却难以捉摸。 它们被认为是由巨大的超渐近巨星分支 (SAGB) 恒星的爆炸产生的，而这方面的证据也很少。 这一发现还揭示了公元 1054 年超新星的千年之谜，它在白天在世界各地都可以看到，最终成为蟹状星云。
从历史上看，有两种主要的超新星类型。 一个是热核超新星——白矮星在双星系统中获得物质后的爆炸。 这些白矮星是低质量恒星（一颗高达太阳质量约 8 倍的恒星）达到其生命尽头后留下的致密灰核。 另一种主要的超新星类型是铁核坍缩型超新星，其中一颗大质量恒星——大约是太阳质量的 10 多倍——耗尽核燃料并使其铁核坍缩，形成黑洞或中子星。 电子捕获超新星处于这两种超新星之间的边界。 当恒星的核心由氧、氖和镁组成时，恒星就会停止聚变； 它们的质量不足以制造铁。
虽然重力总是试图压碎一颗恒星，但阻止大多数恒星坍塌的原因要么是正在进行的聚变，要么是在聚变停止的核心中，事实是你无法将原子包裹得更紧。 在电子俘获超新星中，氧——氖——镁核中的一些电子被撞击到它们的原子核中，这个过程称为电子俘获。 这种电子的去除导致恒星的核心在自身重量下弯曲并坍塌，从而产生电子捕获超新星。
如果恒星稍微重一点，核心元素可能会融合产生更重的元素，从而延长它的寿命。 所以这是一种反向金发姑娘的情况：恒星不够轻，无法避免其核心坍塌，也不够重，无法延长其寿命并以不同的方式在以后死亡。
这是东京大学的野本健一等人从 1980 年开始提出的理论。 几十年来，理论家已经制定了关于在电子捕获超新星及其 SAGB 恒星祖先中寻找什么的预测。 恒星应该有很大的质量，在爆炸前会失去很多，而垂死恒星附近的这个质量应该具有不寻常的化学成分。 那么捕获电子的超新星应该是微弱的，几乎没有放射性沉降物，并且核心中含有丰富的中子元素。
超渐近巨星分支星（左）及其核心（右）由氧（O）、氖（Ne）和镁（Mg）组成的艺术家印象。 超渐近巨星分支星是质量范围约为 8-10 个太阳质量的恒星的最终状态，其核心是由电子（e-）支撑的压力。 当核心变得足够致密时，氖和镁开始吞噬电子（所谓的电子捕获反应），降低核心压力并引发核心坍缩超新星爆炸。 信用：S.威尔金森； 拉斯坎布雷斯天文台
这项新的研究，发表在 自然天文学, 由加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB) 和拉斯康布雷斯天文台 (LCO) 的研究生 Daichi Hiramatsu 领导。 平松是全球超新星计划的核心成员，该计划是一个全球科学家团队，在全球范围内使用数十台望远镜。 研究小组发现，超新星 SN 2018zd 具有许多不寻常的特征，其中一些是首次在超新星中看到的特征。
这有助于超新星在星系 NGC 31 中相对较近（仅 2146 万光年远）。这使研究小组能够检查在爆炸前从 哈勃太空望远镜 并在它爆炸之前探测到可能的祖星。 这些观测结果与银河系中最近发现的另一颗 SAGB 恒星一致，但与红超巨星（正常铁核坍缩超新星的前身）的模型不一致。
该研究查看了所有已发表的超新星数据，发现虽然有些超新星具有一些预测电子捕获超新星的指标，但只有 SN 2018zd 具有全部六个指标——明显的 SAGB 前身、强烈的超新星前质量损失、不寻常的恒星化学成分，微弱的爆炸，很少的放射性和富含中子的核心。
“我们首先问'这个怪人是什么？'”平松说。 “然后我们检查了 SN 2018zd 的各个方面，并意识到所有这些都可以在电子捕获场景中得到解释。”
这些新发现还揭示了过去最著名的超新星的一些谜团。 公元1054年，银河系发生了一颗超新星，据中日记载，它是如此的明亮，白天可以看到23天，晚上可以看到将近两年。 由此产生的残骸，蟹状星云，已经被详细研究过。 它以前是电子捕获超新星的最佳候选者，但这不确定，部分原因是爆炸发生在近一千年前。 新结果增加了历史的 SN 1054 是电子捕获超新星的信心。 它还解释了为什么与模型相比，这颗超新星相对较亮：它的光度可能是由于超新星喷出物与前身星脱落的物质发生碰撞而人为增强的，如 SN 2018zd 中所见。
东京大学 Kavli IPMU 的 Ken Nomoto 博士对他的理论得到证实感到兴奋，并补充说：“我很高兴最终发现了电子捕获超新星，我和我的同事预测它存在并有联系到 40 年前的蟹状星云。 我非常感谢为获得这些观察所付出的巨大努力。 这是观察与理论相结合的绝妙案例。”
Hiramatsu 补充说：“对我们所有人来说，这是一个‘尤里卡时刻’，我们可以为结束 40 年的理论循环做出贡献，对我个人来说，因为我的天文学职业生涯始于我看到令人惊叹的高中图书馆里的宇宙，其中之一是标志性的蟹状星云。 哈勃太空望远镜设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
“当我们发现一个新的天体物理物体时，罗塞塔石碑这个词经常被用作类比，”拉斯康布雷斯天文台的科学家和加州大学圣地亚哥分校的兼职教授安德鲁豪厄尔博士说，“但在这种情况下，我认为它是合适的. 这颗超新星实际上正在帮助我们解码来自世界各地文化的千年历史记录。 它帮助我们将我们不完全了解的一件事，蟹状星云，与另一件事，我们拥有令人难以置信的现代记录，这颗超新星联系起来。 在这个过程中，它教会了我们基础物理学：一些中子星是如何形成的，极端恒星是如何生存和死亡的，以及构成我们的元素是如何被创造出来并散布在宇宙中的。” 豪厄尔博士是全球超新星计划的负责人，也是主要作者的博士生导师。
有关这项研究的更多信息：
参考：Daichi Hiramatsu、D. Andrew Howell、Schuyler D. Van Dyk、Jared A. Goldberg、Keiichi Maeda、Takashi J. Moriya、Nozomu Tominaga、Ken'ichi Nomoto、Griffin Hosseinzadeh 的“超新星 2018zd 的电子捕获起源” , Iair Arcavi, Curtis McCully, Jamison Burke, K. Azalee Bostroem, Stefano Valenti, Yize Dong, Peter J. Brown, Jennifer E. Andrews, Christopher Bilinski, G. Grant Williams, Paul S. Smith, Nathan Smith, David J. Sand、Gagandeep S. Anand、Chengyuan Xu、Alexei V. Filippenko、Melina C. Bersten、Gastón Folatelli、Patrick L. Kelly、Toshihide Noguchi 和 Koichi Itagaki，28 年 2021 月 XNUMX 日， 自然天文学.
DOI: 10.1038/s41550-021-01384-2
DH、DAH、GH、CM 和 JB 得到了美国国家科学基金会 (NSF) 赠款 AST-1313484 和 AST-1911225 以及美国国家航空航天局 (NASA) 赠款 80NSSC19kf1639 的支持。
