Cas A中的放射性元素使大质量恒星爆炸成为可能

时间：2021-07-05 17:52:11 来源：

中微子驱动的超新星爆炸的3D模拟喷射器中放射性56Ni的时间演化。图像显示了爆炸开始后不久（3.25秒）到确定最终不对称性的较晚时间（6236秒）的非球形分布。颜色代表根据每个面板给出的比例的径向速度。© MPA

使用详尽的计算机模拟，研究人员展示了气态超新星残余仙后座A中的放射性元素如何能够瞥见大质量恒星的爆炸。

作为超新星爆炸的恒星是宇宙中重化学元素的主要来源。在这些恒星爆炸中，放射性原子核在爆炸过程中在最热的最内部区域合成，因此可以洞悉引发爆炸的不可观察的物理过程。通过精心设计的计算机模拟，来自马克斯·普朗克天体物理学研究所（MPA）和日本研究所RIKEN的一组研究人员能够解释最近测量的仙后座A（大约340年的气态）中放射性钛和镍的空间分布。附近超新星的残留物。计算机模型为这样的恒星死亡事件可以由爆炸开始时留下的中子星逃逸的中微子引发和提供动力的理论思想提供了有力的支持。

巨大的恒星以巨大的爆炸（所谓的超新星）结束生命。在数百万年的稳定演化中，这些恒星建立了一个主要由铁组成的中心核。当核心达到太阳质量的1.5倍时，它会在自身引力的作用下坍塌并形成中子星。在这种灾难性事件中释放出大量能量，主要是中微子的释放。这些几乎无质量的基本粒子大量产生于新生中子星内部，该中子星的密度高于原子核的密度，并且温度可以达到5000亿开尔文。

触发和驱动爆炸的物理过程是50多年未解决的难题。提出的一种理论机制称为中微子，因为它们带走的能量是典型超新星所需能量的一百倍以上。从中子星的热内部泄漏出来，一小部分中微子被周围的气体吸收。这种加热导致气体剧烈运动，类似于在炉子上的一锅开水中的运动。当气体的鼓泡变得足够强大时，超新星爆炸就开始爆发，好像锅盖被炸掉一样。垂死恒星的外层被排入星际空间，并伴随着恒星在其生命中通过核燃烧组装的所有化学元素。但是在爆炸的热喷射中还会产生新的元素，其中包括放射性物种，例如44Ti（原子核中具有22个质子和22个中子的钛）和56Ni（28/28中子/质子），这些元素会衰变成稳定的钙。和铁。如此释放的放射性能量使超新星发光了好几年。

在仙后座A中观察到44Ti（蓝色）和铁（白色，红色）的分布。可见铁主要是56Ni的放射性衰变产物。黄色十字标志着爆炸的几何中心，白色十字和箭头指示了中子星的当前位置和运动方向。© Macmillan Publishers Ltd：自然;从Grefenstette等人，Nature 506，339（2014）;铁的分配由U.〜Hwang提供）

由于中微子加热气体的狂野沸腾，爆炸波以非球面形式开始，并在喷出的恒星物质和整个超新星整体上形成了大规模的不对称性（图1），与观测到的一致。许多超新星及其气态残余物中的结块和不对称。爆炸的初始不对称有两个直接后果。一方面，中子星收到与更强爆炸方向相反的反冲动量，在超强爆炸中，超新星气体被更猛烈地排出。此效果类似于当乘客跳下时划船所受到的踢打。另一方面，从硅到铁，特别是44Ti和56Ni的重元素的生产，在爆炸更强烈且更多物质被加热到高温的方向上更为有效。“几年前，我们通过中微子驱动的超新星爆炸的三维（3D）模拟已经预测了这两种效应，” RIKEN的研究人员和2013年相应出版物的主要作者Annop Wongwathanarat说，当时他在MPA工作。与他的合著者H.-Thomas Janka和EwaldMüller合作。他补充说：“中子星踢越大，放射性射流的不对称性就越明显。”由于放射性原子核是在超新星的最内层区域合成的，因此在中子星非常靠近的地方，它们的空间分布最直接地反映了爆炸的不对称性。

新发现的仙后座A（Cas A）是超新星的气态残留物，其光在1680年左右到达地球，同时也证实了这一理论预测。由于其年轻的年龄和相对接近的距离（仅11,000光年），Cas A为测量提供了两个巨大的优势。首先，44Ti的放射性衰变仍然是一种有效的能源，因此可以通过检测放射性衰变产生的高能X射线辐射，在整个残余物中以高精度将该原子核的存在映射到3D中。其次，中子星的速度及其大小和在天空平面上的方向也是已知的。

如图1所示的中微子驱动超新星爆炸的3D模拟所预测的，可观察到的放射性镍（56Ni，绿色）和钛（44Ti，蓝色）。优化了定向，以使其与图2a的Cas A图像最接近。中子星以白色十字标记，并因其反冲速度而偏离爆炸中心（红色加号）。中子星运动指向远离半球的半球，该半球包含大部分被喷射的44Ti。铁的脚踢速度。中子星运动指向远离半球的半球，该半球包含大部分被喷射的44Ti。铁（Ni56的衰变产物）只能在Cas A的外壳热壳中观察©到。MPA

由于中子星以至少每秒350公里的估计速度传播，因此放射性元素空间分布的不对称性将非常明显。正是在观察结果中可以看到这一点（图2，左图）。虽然紧密的残余物向着下半球的速度加快，但在残余气体的上半部分发现了44Ti中大部分的最大和最亮的团块。计算机模拟，从一个适当选择的方向观察时，显示出惊人的相似的观测图像（图2，右图）。但是，不仅钛和铁的空间分布与Cas A中的分布相似（对于3D可视化，请参见图3与可从Web链接http://3d.si.edu/explorer获得的Cas A的3D成像比较）？ modelid = 45）。这些元素的总量，它们的膨胀速度以及中子星的速度与Cas A的惊人一致性。中子驱动的超新星，其围绕新生中子星的剧烈气体运动，H.-Thomas Janka总结道。

但是需要更多的工作来最终证明大质量恒星的爆炸是由中微子的能量输入提供动力的。埃瓦尔德·穆勒（EwaldMüller）指出：“ Cas A是一个非常有趣和重要的对象，我们还必须了解其他化学物质（如硅，氩，氖和氧）的空间分布”。通过3D成像显示（请参阅http://3d.si.edu/explorer?modelid=45）。一个例子也不足以提出令人信服的案例。因此，该团队加入了一个更大的合作小组，通过对大量年轻的超新星遗留样本进行仔细分析，来测试中微子驱动爆炸的理论预测。因此，研究人员希望逐步收集能够解决超新星机制长期存在的问题的证据。