超新星1987A喧嚣的十几岁

超新星1987A喧嚣的十几岁
著：Robert Irion 译：bood

　　在爆发后很长一段时间的沉寂后，上个世纪最壮丽的恒星正用新的“灯光表演”使天文学家们一饱眼福。

　　15年前的这个星期，超新星1987A突然出现在《时代》周刊（Time）的封面上，加州大学Santa Cruz分校的天体物理学家Stan Woosley在那时对《时代》说：“那就像过圣诞节。我们为此已经等了足足383年了。”今天，这个超新星仍然是继续的圣诞礼物。尽管超新星的爆发已经暗淡了下去，但现在其周围却充满了能量。这景象给了我们观察自然界合成新元素的最好机会。

　　超新星的复活从好几年前就开始了，那时超新星所发出的激波刚刚撞到了一个不规则的环状气体云的一部分（气体云由膨胀了的恒星在坍缩、毁灭之前抛射而成）。最近，这个猛烈的冲撞已经由过去的一个热斑扩展成为十几个，并且热斑数目还在不断增加。“最后它们会合并成为一个稳定的大热斑。”科罗拉多（Colorado）大学（在Boulder城）的天体物理学家Richard McCray说，“下个十年里它会变亮100倍甚至1000倍。”

　　但那仍然不足以使1987A为肉眼所见。然而这“焰火”会触及内环以外的地方，并会照亮一片未知的气体尘埃云（也是由恒星在很久前抛射的）。这个“茧”状物及其运动将会告诉我们这死亡了的恒星是否有一颗伴星。激波将开始通过超新星的碎片被反射，就象在山谷中的轰轰声一样。这个混乱的过程会把恒星本来的元素（碳、氧、铁和在爆发中形成的重元素）分散到太空深处。

　　这只是1987A向超新星遗迹，如著名的蟹状星云（其爆发时间由中国天文学家在948年前记录下），转变过程中的一个部分。特殊的是，这次天文学家们得到了一个好座位，并且有现代的望远镜供他们使用。“我们从来没有这样的记录，即超新星是如何将重元素抛进星际介质中并由此产生恒星和行星的。”纽约市哥伦比亚大学的天文学家Arlin Crotts说，“超新星1987A会向我们展示美妙的细节。”

随着激波把电子加速到接近光速，从超新星1987A发出的射电电波不断增强
CREDIT: RICHARD MANCHESTER ET AL./CSIRO AUSTRALIA TELESCOPE NATIONAL FACILITY

导致碰撞的惯性运动

　　自从天文学家们在1987年2月23日第一次看到它的爆发以来，这个超新星一直在Crotts称为“惯性运动态”的状态中。超新星的爆震波，即爆发出的物质的前缘，以约光速1/20的速度在约2光年宽、几乎是空的一块空腔穿行。同时，爆发本身发出的光（由不稳定同位素的放射性衰变提供能源）却无情的迅速衰减。现在那光的强度已只有当初的千万分之一了。

　　尽管如此，在看起来很平静的惯性运动状态背后，演化的速度却越来越快了。当激波猛的冲过空腔内留下的气体时，它将许多电子加速到接近光速。于是这些沿着磁场线旋转的电子开始发射强烈的射电波。“加速一开始处于第一档，接着是第二档，现在已经是第三档了。”马萨诸塞州哈佛-史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge）的射电天文学家Bryan Gaensler说，“它发出的射电波已经强于爆发后的第一个星期了。”强烈的激波也激发了圆形空腔内稀疏的原子并使它们发出高能X射线。NASA的Chandra X射线天文台和欧洲航空航天局的XMM-Newton卫星能够观测到这些信号。

　　通过澳洲射电望远镜密集阵（the Australia Telescope Compact Array）对超新星的射电发射的监视，我们发现在其空腔内有明显的质量不均衡现象。多数能量从东面流向西面，靠近前恒星的赤道面。这与膨胀了的恒星在发生坍缩、爆发前，沿其自转的中央部分，而不是两极，抛射物质的情况相一致。当激波在过去的几年里触及到遗迹的边缘时，空腔赤道附近的气体已将其减速到约3000km/s。而正是由此引发的猛烈的冲击（激波现在仍然以光速的十分之一在空间穿行）产生了现在的新景象。

　　哈勃现在已观测到12个热斑。确实，光学耀斑现在已经扩散到整个气体环的很多地方。根据哥伦比亚的毕业生Ben Sugerman和他的同学提交给The Astrophysical Journal的论文，几乎已经找不到大于45度的空白区域。这个组的分析表面，一些热斑会在约1个月的尺度上闪烁。“我们认为激波正在撞击不相互连接的气体尘埃云。”Crotts说。他还评述道，哈勃的近距离空间观测和地面上的自适应光学系统会帮助天文学家利用激波去探测遗迹的内部结构。

　　当爆震波不断在更大的弧度上冲击浓厚气体环时，障碍物会向超新星抛射的物质发出强烈的“逆震”。最初，那些物质大多由死亡了的恒星的外壳组成。但是根据McCray和其他人的模型，5到15年后，激波的回波会扫过那些在恒星深处形成的元素。McCray认为，放射性"榴散弹"——镍56会从恒星核心射到爆炸激波的深处，同时迅速的衰变为钴然后是铁。这个过程放出的热量促使低密度铁形成泡沫般的口袋，而它们周围就是相对密度较高的抛射物。柯伊伯机载天文台（the Kuiper Airborne Observatory）的红外数据表明，这样的过程确实会发生：遗迹约1%的质量似乎竟占了一半的体积，McCray说。

蓝超巨星还是致命的合并？

　　McCray很希望爆震波冲击整个气体环的另一个结果能够得到证实。“我们很清楚，这个气体环只是一个更大体积物质的一层内皮，但这个更大体积的物质尚不可见。”McCray说，“气体环是一个新点亮的灯泡。随着它不断的升温，它会逐渐电离整个结构的其余部分，然后我们就可以在X射线波段看到它了。在下一个十年里，那景象会像是一朵正在盛开的花。”

　　开花过程会展现出非常漂亮的图像。通过研究其形成和星云中（可能含有10倍于太阳质量的物质）气体尘埃的运动，天文学家将会找出这颗爆发恒星的过去。McCray希望这个“星际考古”能够帮助解决正在进行的关于1987A起源的辩论。

　　有好几年，天体物理学家都主张此类恒星以一个孤独的“蓝超巨星”结束生命。蓝超巨星是红超巨星的一个更小却更热的兄弟，它常导致超新星爆发。根据这种主张，从早期红超巨星态时抛射的物质巨浪慢速移动，并与最后蓝超巨星态时抛射的剧烈星风发生作用，于是便产生了那个内部的气体云。然而，其他的研究者提出的一种十分不同的观点：在巨星爆发前的20,000年前，一个较小的伴星与巨星发生了合并，这使巨星放出了一个扁平的尘埃盘。鉴于天文学家们确实发现过恒星遗迹中的双星系统，所以这也是可能的。

火环。随着1987A的爆震波闯入气体块，十几个热斑（箭头所指）已经向外展开；不久，由恒星在20,000年抛射出的整个气体环都会被激发。
CREDIT: B. SUGERMAN ET AL./COLUMBIA UNIVERSITY AND SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE.

　　但是这两种情况都不能解释哈勃所看见的，在内环上面和下面的一对暗淡却更大的气体环。它们正好形成了一个沙漏的粗糙外形。“不管是两种意见的哪一种，其根据都是有合理的。”McCray说，“而现在没有关于形成这种结构的任何证据，并且所有的模型都不能得出这种结构。”等到遥远的气体云开始在暗环外发光时，天文学家打算重新跟踪这颗抛射过气体和尘埃的恒星的（或者是恒星们的）行为。

　　超新星1987A仍然隐藏着其他的秘密。一个最明显的例子是天体物理学家们不知道藏在其中心的，是一颗中子星还是一个黑洞。射电天文学家周期性的检查从可能的旋转中子星发出的脉冲，但是一直到今天，超新星遗迹始终保持沉默。一些研究者推测，一些最里面的物质回落到爆发中心，使中心星体有足够的质量成为一个黑洞。然而，爆发产生的碎片浓密的包裹着这个神秘天体，这样的包裹可能还要持续几十年。除非人们可以找出遗迹中心的一个泄密点，现在很少有天文学家打算再在这个问题上花很多时间了。

　　相反的，激波及其猛烈撞击却是现在超新星研究的重点。“这会使天文学家们忙上几个世纪的。”纽约亨普斯特德（Hempstead）的霍夫斯特拉大学（Hofstra University）的Stephen Lawrence说。到那时，可能已经有更近的超新星已经向地球轨道上的望远镜吐露了它们的秘密了。

译自 [Science, Volume 295, Number 5559, Issue of 22 Feb 2002, pp. 1452-1453]