一颗死亡之星即将在地球天空中 Spark 一生一次的景象

一颗名为 T Coronae Borealis 的新星每 80 年壮观地爆发一次。你一生中唯一一次看到它的机会即将到来

Still image from animation in which a star experiences a nova.

动画静帧,描绘了一颗白矮星()如何通过从一颗红巨星虹吸物质产生新星。

NASA/概念图像实验室/戈达德太空飞行中心

在 1217 年 10 月,德国南部乌尔斯贝格修道院的院长仰望苍穹,在弧形的北冕座中,看到了一些奇妙的东西。“它原本是一颗微弱的星星,但有一段时间闪耀着强烈的光芒,然后又恢复了原来的微弱,”他当时用拉丁文写道。他不是第一个看到它的人,也不是最后一个。这颗恒星天体大约每 80 年出现一次,然后消失——这是因为它根本不是一颗真正的恒星。那位院长目睹了一场 3000 光年外的热核爆炸。它来自一颗白矮星,一颗恒星僵尸,正在吞噬附近红巨星的物质。大约每世纪一次,它会装满,当它装满时,它会爆发,释放出为期一周的地狱之火。

这就是 T Coronae Borealis——通常缩写为 T CrB——天文学家称之为新星的星体,这个词源于拉丁语对这些事件的描述,即“新星”,许多前现代观察者认为它们是新星。T CrB 上次爆发是在 1946 年,其行为表明,它的下一次阵发性爆发应该在现在到 9 月之间的任何时刻。当这种情况发生时,T CrB 将在天空中以肉眼可见的形式出现,成为其星座星光璀璨的皇冠上的临时宝石。天文学家们不会仅仅将其视为一种奇观,而是将利用这次最新的爆发来更多地了解新星,新星是经常被忽视的宇宙混沌的驱动因素。

路易斯安那州立大学的天体物理学家 Bradley Schaefer 说:“[新星] 是完全奇怪的事件。”但 T CrB 是独一无二的:它经历了亮度起伏的过山车,这与传统观点相悖。有时,研究异常值是了解总体情况的最佳方法。这就是为什么 Schaefer 说,“当 T CrB 爆发时,世界上很大一部分望远镜都将对准它。”


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要理解为什么 T CrB 让天文学家如此兴奋,了解一下普通新星的入门知识会有所帮助。每颗新星都涉及一颗白矮星(某些恒星生命终结时留下的小型残骸)和一颗“正常”伴星之间的危险配对——在 T CrB 的情况下,是一颗膨胀的红巨星。白矮星非常致密,以至于能够从其伴星那里引力窃取氢气,氢气像雪一样落在白矮星的表面。这种薄层升温并最终点燃,引发一场不可阻挡的链式反应,最终导致核爆炸。

德国埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学的天文学家 Ole König 说:“这就像一个巨大的氢弹,炸掉了这颗地球大小的白矮星的整个大气层。”这些爆炸不是超新星,它们是更具灾难性的表亲,会导致恒星的湮灭。但这并没有使它们变得不那么令人印象深刻或重要。

新星反复且灾难性地爆发,不知何故没有摧毁它们的恒星前身,同时用新鲜锻造的物质的强力混合物丰富了它们的天体环境。“新星是生命所需元素的生产者,例如碳、氮和氧,”利物浦约翰摩尔斯大学的天体物理学家 Michael Healy-Kalesh 说,并且可能是锂的主要生产者之一。

这表明,如果不解码新星,就无法完全理解天体物理学如何产生生物学。当幸运的天文学家发现周期性新星(至少每世纪爆发一次的新星)时,它们就成为了他们研究的可预测信标。然而,包括 T CrB 在内,他们只在银河系中设法找到了大约 10 颗。尽管 T CrB 具有明显的钟表般的可靠性,但过去的天文学家已被证明更加反复无常;该系统的爆发仅在 1217 年、1787 年、1866 年和 1946 年有记录。根据先前两次记录在案的爆发期间观察到的细微细节,“官方预测是它将在 4 月左右爆发,可能在 5 月,上下浮动三个月,”Schaefer 说——它应该可以持续可见几天。

世界上一些领先的天文台已经计划在时机成熟时机会性地将注意力转向 T CrB,并以光学、无线电、X 射线和其他波长的光记录其爆炸。业余天文学家也在关注此事。“我们的成员喜欢爆炸的东西,”马萨诸塞州剑桥市美国变星观测者协会的天体物理学家 Brian Kloppenborg 说。“我每 10 分钟收到一封电子邮件,其中包含一些新的观测结果。”

如此全面的全光谱警戒可以将 T CrB 从宇宙奇点转变为适用于所有新星的谜题的答案。例如,它们的爆发有多仓促?X 射线天文学可以对此有所帮助。König 说,当爆发发生时,“你会有这个炽热、发光的火球”,它会发出 X 射线。随着它的膨胀,白矮星喷射出的外壳冷却下来,随后发出可见光辐射。X 射线和可见光闪光之间的时间差可以记录喷射物质的移动速度。

各种宇宙灾变也会产生中微子,这是一种几乎没有质量的粒子,可以揭示强大的过程的原本隐藏的内部细节。但它们出了名的难以探测,迄今为止,“没有任何新星记录到中微子,”意大利帕多瓦大学的天文学家 Ulisse Munari 说。但知道何时何地会爆发产生中微子的新星肯定会有所帮助。“实际上,当前一代中微子探测器很有可能探测到 T CrB,”Schaefer 说。如果事实证明如此,科学家们可能会对所有新星的爆炸物理学获得新的认识。

然而,可以说,让许多天文学家最感兴趣的不是新星如何爆炸,而是它们可能变成什么。“我发现最令人兴奋的方面是新星作为 Ia 型超新星前身的潜力,”Healy-Kalesh 说。与标准新星一样,这种类型的超新星涉及一对恒星之间的质量交换,其中至少一颗是吞噬气体的白矮星。然而,它们最终的热核爆炸是如此巨大,以至于吸积物质的白矮星被炸成碎片。

关于 Ia 型超新星的一种主要模型涉及一颗白矮星,它吞噬了如此多的恒星物质,以至于其质量增加到太阳质量的 1.4 倍——这被称为钱德拉塞卡极限。超过这个阈值,白矮星变得过于庞大而无法支撑自身的重量,从而引发热核级联反应,导致其爆炸性自毁。因此,关键问题是:“这些白矮星如何吸积足够的物质来超过钱德拉塞卡极限?”König 说。并且由于原则上 Ia 型超新星的爆炸方式都相同,无论它们的宇宙坐标如何,它们的爆炸都充当了天文学家测量广阔星系间距离的标尺上的重要刻度;因此,梳理出规则的、不太超级的新星的相似但较小的爆炸中的任何怪癖,可能会导致对基于 Ia 型的宇宙(误)测量进行细微调整。

研究人员还渴望研究普通新星的周期性机制,如果白矮星收集的物质在每次爆炸期间没有完全消耗或喷射出去,这些机制可能会随着时间的推移而发生变化。“有多少物质留在白矮星上?有多少在一次新星爆发中被吹走?”英国华威大学的天体物理学家 Deanne Coppejans 说。可以在 T CrB 的下一次爆发期间检查这份世界末日的资产负债表:白矮星主要由碳和氧组成,而红巨星正在捐赠氢,从而提供了一个主要成分列表,可以从中确定新星喷射物中的相对比例。

天文学家还旨在利用 T CrB 即将到来的爆发来理解这颗特定新星的三个令人困惑的特质。“我们所知的其他新星都没有表现出这种行为,”保加利亚天文研究所的天文学家 Vladislav Marchev 说。

大多数新星都保持昏暗,仅在爆发期间才显着变亮——但 T CrB 不是。它的第一个怪异之处在于,在爆发前后大约十年,它都处于适度亮度的“高状态”,发出“炽热、蓝色、猛烈的光”,Schaefer 说。“为什么高状态会关闭?就此而言,高状态为什么会开启?我们对正在发生的事情一无所知。”

第二个奇怪的特征是其爆发前亮度下降,这发生在爆发前大约一年。“这是一个奇怪的、史无前例的谜团——而且它也是即将到来的爆发的先兆,”Schaefer 说。有人认为,当白矮星吸积的物质接近其“熟透”阶段时,它会获得某种“焦炭”,一层遮蔽下方炽热篝火的尘埃面纱。Healy-Kalesh 说,也许“T CrB 在爆发前喷射气体,这些气体随后形成尘埃壳并阻挡来自中心系统的光,从而导致爆发前亮度下降。”

第三,在 T CrB 爆发几个月后,它似乎会产生二次爆发——亮度很高,但没有上升到最初爆发的亮度——可能会持续数周或数月。“二次最大值一直是一个长期存在的谜团,”Munari 说。但他在最近的一篇预印本中提供了一种可能的解决方案:这是一种错觉,而不是另一次爆发。

在其吸积阶段和爆发期间,白矮星正在烧烤红巨星的可见半球。爆发后,白矮星可能会冷却下来,但红巨星的面向烈焰的一侧仍在炙烤——当那个炽热的半球面向地球时,天文学家瞥见了那种光芒,并错误地认为它是第二次爆发。“我认为这可能是真的,”Schafer 说。当 T CrB 真正释放其地狱之火时,每个人都将能够评估 Munari 的想法。

Kloppenborg 说,总而言之,这次爆发“确实是一生一次的体验”——天文学家有机会找到百年老问题的答案。“我们将全力以赴,”Schaefer 说。然而,最让他兴奋的是,有机会向公众展示深空天文学并非深奥难懂,而是实实在在的东西。“任何人都可以看到它,”他说。“任何人都可以走出去看看它。这可能是这件事最令人兴奋的地方。”

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