科学家发现超新星(科学家发现超新星的故事)

科学家发现第三种超新星：或能解开蟹状星云起源

据外媒报道， 一个国际天文学家小组观测到第一种新型超新星。这一发现证实了40年前的一个预测，这可能会对恒星的生与死产生新的认识 。这项研究于2021年6月28日发表在《Nature Astronomy》上。

加州大学戴维斯分校物理和天文学教授Stefano Valenti是发现和描述超新星2018zd的团队成员，他指出：“天文学中的一个主要问题是比较恒星是如何演变和消亡的。由于还存在许多环节缺失，所以这非常令人兴奋。”

目前已知的超新星有两种。当一颗质量是太阳10倍以上的大质量恒星耗尽燃料，其核心坍缩成黑洞或中子星时就会出现核心坍缩超新星。白矮星则是质量达到太阳质量8倍的恒星的残骸，当它爆炸时会产生热核超新星。

1980年，东京大学的Ken'ichi Nomoto预测了第三种超新星，称为电子捕获超新星。

使大多数恒星在自身引力下免于坍塌的是它们中心核心产生的能量。在一个捕捉电子超新星中，当内核耗尽燃料时，重力会迫使内核中的电子进入它们的原子核进而导致恒星向内部坍缩。

晚期光谱的证据

超新星2018zd是在2018年3月被发现的--约在爆炸后3小时。哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜的档案图像显示，一个模糊的天体可能是爆炸前的恒星。这颗超新星离地球相对较近，在NGC2146星系中距离约3100万光年。

这个研究小组由Daichi Hiramatsu领导，他是加州大学圣巴巴拉分校和拉斯坎布雷斯天文台的研究生，在接下来的两年里其收集了关于这颗超新星的数据。来自加州大学戴维斯分校的天文学家们在爆炸两年后对这颗超新星进行了光谱分析，这是证明2018zd是一颗电子捕获超新星的证据之一。

研究人员Azalee Bostoem表示：“我们有一个非常精致、非常完整的数据集，它记录了（电子捕获超新星的）兴起和衰落。”Yize Dong则补充称，数据包括来夏威夷凯克天文台10米望远镜收集到的非常晚期的数据。

理论预测，电子捕获超新星在数年后会显示出不寻常的恒星化学光谱。

Valenti指出：“我们观察到的Keck光谱清楚地证明，SN 2018zd是我们认为的最佳电子捕获超新星。”

最近的光谱数据并不是拼图的唯一部分。该团队还浏览了所有发表的超新星数据，他们发现虽然一些超新星拥有一些预测电子捕获超新星的指标，但只有SN 2018zd拥有所有六种指标：一个超渐近巨星支(SAGB)类型的表观祖星、强超新星前质量损失、不寻常的恒星化学光谱、弱爆炸、小放射性、一个富含中子的核。

“我们一开始问‘这个怪人是什么？’然后我们研究了SN 2018zd的每个方面，并意识到所有这些都可以在电子捕获场景中得到解释，”Hiramatsu说道。

解释蟹状星云起源

这些新发现还揭示了过去最著名的超新星的一些奥秘。公元1054年，银河系发生了一颗超新星。根据中国的记录，它非常明亮，白天可以看到它23天，晚上可以看到它将近两年。由此产生的遗迹--蟹状星云--已经被详细研究过了。它以前是电子捕获超新星的最佳候选，但这并不确定，部分原因是爆炸发生在近1000年前。新结果增加了蟹状星云形成事件是一个电子捕获超新星的信心。

“我很高兴这个电子捕获超新星终于被发现了，我的同事和我曾预测它的存在并认为其跟40年前的蟹状星云有关。这是观察和理论结合的一个很好的例子，”Nomoto说道。

天文学家发现新类型的超新星 可能是蟹状星云的起源

据外媒报道，周一发表在《自然-天文学》上的一份来自一个国际科学家团队的报告证实了一种以前未见过的恒星爆炸类型。在这一发现之前，人们认为只有两种类型的超新星：核心塌缩超新星（当一颗大质量恒星耗尽燃料，其核心塌缩成黑洞或中子星时发生）和热核超新星（当白矮星爆炸时发生）。

然而，自20世纪80年代以来，有人猜测可能存在另一种类型。东京大学的Ken'ichi Nomoto在1980年预测了第三种类型，称为“电子捕获超新星”。这指的是超新星因燃料匮乏而产生，然后由重力迫使电子进入核心的原子核--从而自我坍缩。

暗示“电子捕获超新星”存在的证据涉及巨大的恒星在爆炸前失去许多质量。有关的质量应该具有不寻常的化学成分。超新星之后应该有最小的放射性沉降物，核心应该有富含中子的元素。

对最初在2018年3月检测到的一颗超新星的光谱分析，为电子捕获超新星的理论提供了新的证据。被称为 "超新星2018zd"，有几个关键因素表明它的电子捕获性质：它在爆炸前显示了大量的质量损失，具有不寻常的化学成分，产生了微弱的爆炸，显示出很少的放射性，并且它留下了一个富含中子的核心。

可以理解的是，看到他的理论获得了重量，Ken'ichi Nomoto对这一发展进行了评论，并为论文做出了贡献。

“我非常高兴，电子捕获超新星终于被发现了，我和我的同事们在40年前就预测到它的存在，并且与蟹状星云有联系。”他说：“这是一个观察和理论相结合的美妙案例。”

作为超新星 历史 上最明亮的谜团之一，蟹状星云的起源长期以来一直没有得到解释。据信在公元1054年，银河系中发生了一次超新星事件。 历史 记载称它是如此明亮，以至于在白天可以看到它23天，而在晚上可以看到它将近两年。现在，它的残骸被称为蟹状星云。

尽管得到了广泛的研究，但确定该星云是否可能是电子捕获超新星的结果是很棘手的--主要是因为爆炸发生在近一千年前。然而，有了这个新的超新星发现，相信科学家可以更有信心地宣布蟹状星云是电子捕获超新星的结果。

全球超新星项目的负责人、拉斯坎布雷斯天文台的科学家Andrew Howell博士说：“这颗超新星实际上是在帮助我们解读来自世界各地文化的千年记录。它正在帮助我们把我们不完全了解的一件事，即蟹状星云，与我们有难以置信的现代记录的另一件事，即这颗超新星联系起来。”

“在这个过程中，它正在教给我们基本的物理学知识：一些中子星是如何被制造出来的，极端的恒星是如何生存和死亡的，以及关于我们所组成的元素是如何被创造和散布在宇宙中的。”

宇宙探秘：这10个人类观测到的超新星，爱好天文的你知道几个？

一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相媲美。恒星通过爆炸会将其大部分甚至几乎所有物质以可高至十分之一光速的速度向外抛散，并向周围的星际物质辐射激波。这种激波会导致形成一个膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构，这被称作超新星遗迹。以下是人类所观测到的10大超新星。

（1）远古超新星

2009年，美国加利福尼亚大学科学家杰夫-库克在研究恒星死亡情景时，在观测波谱的远端则发现了远古超新星大规模爆炸的迹象。库克研究团队于是利用图像层叠技术来检测恒星光线的闪烁，共发现两颗远古超新星，两颗超新星年龄大约都是110亿年。

（2）年轻的超新星(G1.90.3)

我们在讨论最近几年所发现的超新星时，事实上这些超新星爆发都是发生在数百万年之前。1985年天文学家从G1.90.3超新星中识别出了无线电信号，2007年，美国宇航局钱德拉X射线天文台从炽热的粉尘与气体中搜集到了新的数据。通过对比两次观测数据的差异，科学们精确地推算出这颗恒星仅仅爆炸于140年前。

（3）双子超新星(2007ck和2007co)

比超新星更为强大的是什么？那当然就是两颗超新星同时爆发。2007年，美国宇航局“雨燕”天文观测卫星在同一个星系内成功地观测到两颗恒星先后发生爆炸。两颗超新星分别是2007ck和2007co，所在星系为MCG+05-43-16。

（4）最亮超新星(2006gy)

2006年9月18日，天文学家英仙座NGC1260星系中观测到了有史记录以来宇宙中规模最大、光线最明亮的超新星爆发，这颗超新星就是2006gy。专家估计这次爆炸比普通超新星爆炸的强度要大100倍，死亡的恒星估计有太阳体积的150倍。

（5）香槟超新星(2003fg)

这里的“香槟超新星”并不是“绿洲乐队”的那首歌曲，它是编号为2003fg的一颗超亮超新星。2003fg超新星爆发是由于一颗白矮星吸引邻近一颗即将爆炸的恒星的物质所产生。

（6）1987A超新星

自从1604年发现蛇夫座超新星以后400多年的时间内，人们用肉眼从来没有看到过一颗超新星。1987年2月23日，一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗5等星，它很快就被证实是一颗超新星，立即在世界各国的天文界引起了轰动。

（7）仙女座S超新星(1885A)

在1885年前，人类所观测到的为数不多的超新星距地球相对较近，而仙女座S超新星是第一个在银河系外被发现的超新星，也是仙女座发现的唯一一个超新星。

（8）开普勒超新星(1604)

德国天文学家开普勒是丹麦天文学家第谷-布拉赫的学生，他追随老师的足迹找寻超新星，他也发现了一颗超新星。1604年10月，开普勒在天空中发现了一个新的发光体。这也是一颗肉眼能够看得见的超新星，编号为1604。

（9）第谷超新星(1572)

第谷超新星超新星的发现改变了2000年来人们对宇宙的认识。一直以来，人们受亚里士多德的影响，认为太阳、月亮以及星球都在围绕地球转。公元1572年，丹麦天文学家第谷-布拉赫在天空中发现了一颗明亮的新星。奇怪的是，这颗星星的运动并没有与其他星星相关，这表明该星体的位置远在亚里士多德所认识的空间之外。这一发现不仅仅使得亚里士多德的观点失效，而且让第谷的研究达到了一个新的高度。这颗新星就是“第谷超新星”。

（10）客星(185)

人类 历史 上最早关于超新星爆发的记录应追溯到公元185年。根据“后汉书”记载，中国古代天文学家早在公元185年就在天空中发现了一颗“客星”。天文学家是这样描述该超新星的，“呈现出五彩颜色，七个月后逐渐消失于天空之中。”后来，有的天文学家认为这仅仅是一颗彗星，但更多的人坚持认为这是一颗超新星。

科学家发现一颗超新星爆发 内核射出X光最亮

普通超新星（左）和Cow类超新星（右）的对比示意图。

科学家新发现一颗名为AT2020mrf的“Cow类超新星”，它所释放出的X射线是至今见过的超新星爆发中最明亮的。这类超新星很罕见，自从2018年发现第一颗以来，这是第五颗。

2018年科学家发现一颗和普通的超新星很不一样的超新星，它的可见光亮度特别高、持续时间比较短，给它起名AT2018cow超新星。以后类似的超新星就被称为“Cow类超新星”。Cow是当时随机抽取的字母组成，并没有特别的意思。

最近（1月9 13日）在网上举行的美国天文学会第239届会议上，加州理工学院（Caltech）的姚雨寒（Yuhan Yao，音译）介绍说，一颗巨型恒星爆炸后，会变成一个黑洞或是留下一颗中子星残骸。多数情况下它们被爆炸产生的物质包裹着，相对来说不活跃。但是“Cow类超新星”的内核非常活跃，没什么物质遮挡，里面紧凑的内核放射出高能X射线。

由于没有物质的遮挡，姚雨寒说：“我们能看到爆炸物的中心，从而直接见证黑洞和中子星的诞生。”

AT2018cow的发现让科学家很震惊。它发出的可见光亮度是普通超新星的10倍，减弱的速度也更快。同时它也发出强度变化巨大的X射线。

“Cow类超新星”还有一个不一样的特点是，它们在爆炸之前先抛出大量物质，爆炸后这些物质被点亮。恒星爆炸时产生的冲击波穿过这些物质的时候，又会产生射电波和毫米波。

研究称，刚发现超新星AT2020mrf的时候，其X射线强度是AT2018cow刚发现时的20倍。一年后，它的强度是AT2018cow在其发现一年后强度的200倍。

姚雨寒说：“我们刚看到数据的时候都不敢相信。我们检查了数据好几次，这才认定这是至今为止见到的放出最强X射线的Cow超新星。”

研究者表示，超新星AT2020mrf残骸里面的内核，一定是持续发出X射线的能量来源。“它所放出的大量能量和强度快速变化的X射线，证明这颗超新星残骸的内核是一个活跃的黑洞或是一颗快速自转的中子星，也叫磁星。我们仍不明白为什么‘Cow类超新星’的内核会如此活跃，可能与这种超新星的前身恒星的某种特点相关。”

因为这颗新发现的AT2020mrf又有着与其它四颗“Cow类超新星”不一样的特点，姚雨寒说，这说明这类超新星的特点比以前所知的更为广泛。“找到更多这种类型的超新星，有助于我们进一步确定它们的能量来源。”

科学家发现的新型恒星爆炸有助于揭开一个千年谜团

据外媒报道，特拉维夫大学雷蒙德和贝弗利-萨克雷精确科学学院的研究员Iair Arcavi博士参与了一项研究，发现了一种新型的恒星爆炸--电子捕获超新星。虽然科学家在40年前已经提出这种理论，但现实世界的例子却一直难以捉摸。 这种超新星产生于质量为太阳8-9倍的恒星的爆炸。这一发现也为公元1054年的超新星的千年之谜提供了新的线索，该超新星在最终成为蟹状星云之前被古代天文学家看到。

超新星是一颗恒星在两种相反的力量之间突然失衡后的爆炸，这两种力量在恒星的一生中塑造了它。重力试图收缩每一颗恒星。例如，我们的太阳通过其核心的核聚变来平衡这种力量，核聚变产生的压力与引力相反。只要有足够的核聚变，引力就无法使恒星坍塌。然而，最终，核聚变将停止，就像 汽车 中的燃油耗尽一样，恒星将崩溃。对于像太阳这样的恒星，塌陷的核心被称为白矮星。白矮星中的这种物质非常密集，电子之间的量子力阻止了进一步坍缩。

然而，对于比我们太阳质量大10倍的恒星来说，电子量子力不足以阻止引力，核心继续坍缩，直到变成中子星或黑洞，并伴随着巨大的爆炸。在中等质量的范围内，电子被挤压（或者更准确地说，被捕获）到原子核上。这就消除了电子量子力，并导致恒星坍缩，然后爆炸。

从 历史 上看，有两种主要的超新星类型。一种是热核超新星--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（质量不超过太阳8倍的恒星）到达生命终点后留下的密集灰核。另一种主要的超新星类型是核心塌缩超新星，即一颗大质量的恒星--超过太阳质量的大约10倍--耗尽了核燃料并使其核心塌缩，形成一个黑洞或中子星。理论工作表明，电子捕获超新星将发生在这两类超新星的边界上。

这是东京大学的Ken'ichi Nomoto等人在1980年代提出的理论。几十年来，理论家们已经制定了在电子捕获超新星中要寻找的东西的预测。恒星在爆炸前应该失去大量特定成分的质量，而超新星本身应该相对较弱，几乎没有放射性物质，并产生富含中子的元素。

虽然过去发现的一些超新星有一些预测为电子捕获超新星的指标，但只有SN2018zd拥有全部六个指标--一颗符合预期质量范围的原生星、强烈的超新星前质量损失、不寻常的化学成分、微弱的爆炸、少量放射性和富含中子的物质。"领导这项研究的加州圣塔芭芭拉分校和拉斯坎布雷斯天文台的Daichi Hiramatsu说：“我们首先问‘这个怪人是什么’？然后我们研究了SN 2018zd的每一个方面，并意识到所有这些都可以在电子捕获的情况下得到解释。”

这些新发现也有助于解开过去最著名的超新星之一的一些谜团。公元1054年，在我们的银河系发生了一次超新星事件，根据中国和日本的记录，它是如此的明亮，以至于在白天可以看到它。由此产生的残余物，蟹状星云，已经被研究得非常详细，并被发现有一个不寻常的成分。它以前是电子捕获超新星的最佳候选者，但这是不确定的，部分原因是爆炸发生在近一千年前。新的结果增加了 历史 性的1054年超新星是一个电子俘获超新星的信心。

Arcavi博士说：“令人惊讶的是，我们可以用现代仪器来揭示宇宙中的 历史 事件。今天，随着机器人望远镜以前所未有的效率扫描天空，我们可以发现越来越多的罕见事件，这些事件对于理解自然规律至关重要，而不必在一个事件和下一个事件之间等待1000年。”

科学家发现一种新型超新星：电子捕获超新星

超新星是一种比新星爆炸还要猛烈的星球大爆炸，一般都会出现在大质量的恒星或者是白矮星上，总的来说，超新星分为两种类型，一种是 热核超新星 ：一般是双星系统中的白矮星（白矮星是由小于8倍太阳质量的恒星爆发留下的核心残骸）在获得伴星的物质后，当白矮星质量达到其质量上限的时候，就会发生热核超新星爆发；另外一种是 核心坍缩型超新星 ：其主体是一颗大质量恒星（一般质量达到太阳质量的10倍以上），这样的大质量恒星在其生命末期，因为核燃料耗尽，核心就会发生坍缩，从而形成中子星或者是黑洞，引发超新星爆发。

但是在40年前，其实科学家还推测出一种理论上的超新星类型，这就是电子捕获超新星。一般来说，电子捕获超新星的原始恒星质量大约相当于8~9倍太阳质量，由此可见，要想形成电子捕获超新星，对原始恒星具有比较苛刻的质量要求。

那么这种电子捕获超新星具有哪些特征呢？让它们能够和其他两类超新星爆发区分开来。

一颗正常生命周期中的恒星上具有两个对立的力量，分别是引力和核聚变产生的辐射压力。正是因为这两种力量的平衡，才导致恒星不至于被引力所压垮坍缩。

但是当恒星进入到它的生命末期的时候，核心的核聚变就会变弱乃至于是停止，这个时候引力就会大于辐射压力，从而导致恒星核心发生坍缩，像太阳大小的就会形成白矮星，同时还会抛掉外层物质，形成超新星爆炸。白矮星的物质非常致密，以至于电子之间的量子力可以阻止白矮星进一步坍缩，从而达成新的平衡，维持白矮星的稳定存在。

而对于质量大约10倍太阳质量的恒星来说，它们的质量更大，其核心核聚变能够一直产生到铁元素出现，当发生超新星爆发的时候，其内部的电子量子力并不足以抵挡引力，所以核心会继续坍缩，直到变成中子星或者是黑洞。

能够发生电子捕获超新星爆炸的恒星质量介于8~9个太阳质量，这意味着其还不足以形成中子星和黑洞，其核心形成的元素只能是氧元素、镁元素之类的元素，无法合成铁元素，更加不会形成一些具有发射性的重元素。当电子捕获超新星形成的时候，有一些电子会被砸进原子核中，所以电子捕获超新星会形成富含中子的同位素，也正是因为这种电子俘获的特征，所以这类超新星就被命名为电子捕获超新星。

科学家总结了电子捕获超新星的六个指标，分别是：质量为8~9个太阳质量的恒星、剧烈的核聚变导致恒星质量的损失比、核聚变产生的不寻常的特定元素、爆炸的时候比较弱、放射性重元素比较少、富含中子的同位素。

虽然之前科学家也观测到了一些疑似电子捕获超新星，但是这些疑似案例中总会有一些指标不符合电子捕获超新星的要求。不过现在科学家在3100万光年外的NGC 2146中发现了一颗被命名为SN2018zd超新星，它完全符合电子捕获超新星的六项指标，属于第一颗被确认的电子捕获超新星。