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神秘超新星爆炸!科学家们可能已经见证了一个黑洞的诞生!

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一位艺术家对在6月观测到的神秘宇宙爆炸的假想图。一开始科学家认为这场爆炸是黑洞撕裂了一颗恒星不久后的景象,然而,新的数据显示,天文学家可能已经目击了一个黑洞的诞生。图片:美国宇航局戈达德太空飞行中心

对于许多天文学家来说,2018年将被铭记为“牛年( Year of the Cow)”——“Cow(牛)”是一场壮观的恒星爆炸的绰号,这场爆炸让他们忙活了好几个月。

10月25日,两组研究人员在提交给arXiv预印本服务器的论文中指出,这一不寻常的事件为我们了解恒星坍缩提供了前所未有的机会。

与典型超新星缓慢的发光过程相反,Cow在一夜之间变得异常明亮,这让天文学家们感到困惑。英国贝尔法斯特女王大学的天文学家斯蒂芬·斯玛特(Stephen Smartt)说:“它不知从哪儿冒出来的。”斯玛特是第一个发现爆炸的人,他根据字母顺序将它命名为“Cow”。

伊利诺斯州埃文斯顿西北大学天体物理学家Raffaella Margutti主持了最新的两篇论文研究,他补充说,这是那些研究恒星爆炸的人的“梦想”。

“核心引擎”

通过独立观察,两篇最新论文背后的研究小组现在已经得出了相同的结论:一个“核心引擎”一直在恒星的核心酝酿着这场爆炸,时间长达几个月,而支撑这个“引擎”的能量肯定来自一个处于吸积物质过程中的新黑洞,或者是一个疯狂旋转的中子星。

当大质量恒星生命结束时,它们就会变成黑洞或者中子星。帕萨迪纳加州理工学院(Caltech)的天文学家Mansi Kasliwal说,像Cow(准确来说是AT2018cow)这样的爆炸可以为这种星体的诞生提供最直接的证据。“我认为这种现象是在告诉我们应该如何理解这种恒星大爆炸最极端的化身。”

加州大学圣巴巴拉分校的天体物理学家Iair Arcavi对最新结果的质量以及这一事件的奇异性印象深刻。他说:“几乎所有与这场爆炸有关的东西都是我们以前从未见过的。”Cow被发现的故事开始于6月16日,当时Smartt的一位同事向他通报发现了一颗明亮的恒星,但是在几天前,那颗恒星的位置上还什么都没有。

恒星的异常

起初,Smartt认为这只是银河系中一个不起眼的恒星耀斑。但后来,他意识到它和我们距离要比想象中的要远得多,爆炸发生在一个被称为CGCG 137-068的星系中,它离我们大约有2亿光年。

“那是星期天晚上11点,我对自己说,‘我最好把这件事告诉大家’”。他通过天文学家电报发出了警报,天文学家电报是一项报告和评论瞬时天文观测的服务。

紧接着的后续观察证实了这个星体距离我们非常遥远,所以它必须非常明亮。(它的光芒必须非常明亮,才可以隔着这么遥远的距离仍然可以让一些业余天文学家也能看到它。)

这不是一颗普通的超新星:相比于花费几周的时间,它的亮度在几天内就达到了峰值。英国利物浦约翰摩尔斯大学的天体物理学家丹尼尔·佩利(Daniel Perley)说:“每个人都放下了自己手头的工作,并开始跟踪观察Cow。”佩利和他的合作者控制了拉帕尔马岛(位于西班牙加那利群岛)上一个机器人望远镜,在一个半月的时间里,他们几乎每天晚上都会观测Cow。他们还使用了全球范围内的其他一些望远镜来进行观察,这些望远镜都属于Kasliwal为这些后续研究而设计的一个望远镜网络。

研究小组收集的证据(主要是光谱证据)似乎指向一个结论:一个现有的黑洞将一颗恒星撕裂了开来。他们8月份在网上发布了这一观察结果。但想要了解这场爆炸的来龙去脉,研究人员需要研究频谱更广的电磁能量,从无线电波到γ射线。

就在Smartt发现爆炸的几天后,加州理工学院的另一位天文学家安娜·何(Anna Ho)迅速行动,在无线电频谱上观察Cow。在恒星爆炸中,带电粒子在强磁场中盘旋时会发射出无线电波,当物质扩散时,它们的波长就会延长。

Ho意识到她可能遇到了一个难得的机会来观察短波长(只有1毫米或更短的波长),但随着物质迅速扩散,天文学家想要观测短波的发射的话可能已经为时已晚。

她的团队和其他人在6月份的早期观察中确实发现了亚毫米波范围内的辐射,因此她向位于智利安第斯山脉的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)提出了紧急提议,在那里观测时间的竞争非常激烈。

古怪,非常古怪

在接下来的几个星期里,Ho和她的合作者们观察了这一事件演变过程中所产生的毫米排放量。他们的观察显示,物质向外扩散的速度达到了光速的十分之一。

但与普通超新星不同的是,这种短波长的辐射持续了数周,这揭示了其核心引擎的存在——一个黑洞或旋转的中子星。“我们能够证明它与任何常规机制都不一样,”Ho说。

与此同时,Margutti和她的同事利用了一项预先批准的提议(Margutti曾提出用美国国家航空航天局的NuSTAR X射线望远镜来观察“瞬时”事件的提议),以便快速观察Cow。

通过NuSTAR和其他望远镜的观测,研究小组得出结论,这一爆炸事件极不寻常。特别是x射线光谱显示,这场爆炸是从内部重新加热的。这也指向了黑洞或中子星为这一爆炸提供动力的结论,但现在下结论依然为时尚早。“我们已经实时看到了一个紧密星体的形成,”她说。

天体物理学家很难得有机会看到这种景观,Margutti补充说,因为再加热阶段通常被早期爆炸喷射出的物质所掩盖。而“Cow的优势就在于它的核心引擎几乎是一尘不染的。”Margutti希望天文学家能再观察到一些这样的事件,从而使我们可以确定恒星爆炸后形成黑洞或中子星的条件。Margutti说:“游戏现在开始了。”

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