从海山二的光回声发现其爆发原因的新线索

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2018-10-26 21:53:27 | 作者:gohomeman1译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:1320次 ]

原文标题:Astronomers Uncover New Clues to the Star that Wouldn't Die

原文作者:Nathan Smith,Armin Rest;Donna Weaver,Ray Villard

副标题:Brawl Among Three Rowdy Stellar Siblings May Have Triggered Eruption

来自:哈勃官网; 发表时间:2018.8.2

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

译者注:本文可以看作2012年那篇研究报告的继续,原报告相关内容,以及相同的图像,不再重复提供:http://www.astron.ac.cn/bencandy-3-6599-1.htm

2018.8.2:大约170年前银河系中最明亮的恒星——海山二发生了一次大规模爆发,其释放的能量堪比一个标准的超新星爆发,差点毁灭了这颗怪兽级恒星。虽然这次剧烈爆发没有摧毁恒星,天文学家却一直在寻找线索以解释爆发的起因。尽管没法回到十九世纪中叶去目击实际的爆发,但通过特殊的光学现象的恩赐,他们部分重演了历史上的爆发:光通过不同的途径到达观测者,爆发后的直达光早在百多年前就已经到达,而反向传播并被周围星云/尘埃反射的光,才刚抵达地球——这称为“光回声”现象。

哈勃拍摄的海山二,周围的气体云表明它经历了多次的外层抛射,请大家对照下面的PDF插图。版权:NASA,ESA;研究团队,下同。

一颗恒星经历了大爆发却仍旧活着,这是什么状况?

大约170年前,天文学家观测到银河系已知的最明亮恒星——海山二(船底座η)发生了大爆发。其释放的能量,几乎相当于一个标准的(Ⅱ型)超新星。

但海山二还好好地活着(仍是已知的银河系最亮恒星,译注)。

天体物理学家为此困惑不已。他们又不能坐着时光机器,带着当代科学仪器回到十九世纪中叶去。

不过他们可以求助于大自然本身的“时光机”,这是光速有限的余荫:虽然直达光早已抵达地球,但部分光经过星际气体云的反射,才刚刚抵达——这个现场称为“光回声”。这些光就像丢失了的明信片,在170年后才寄达目的地。

 

 

海山二及其所在的船底座大星云,大图:30.2MB。版权:NASA,ESA;研究团队,下同。

地基望远镜对那些延时抵达光用现代天文科技进行了分析,天文学家惊讶地发现:1840年代的那次爆发的物质膨胀达到了创纪录的速度,比预想的快了20倍。测定的抛射速度,与超新星爆发的最快速度接近,远远超过了预想的大质量恒星垂死阶段的相对“低速”、平稳的恒星风。

根据这些数据,研究者推测,爆发可能由一个三合星系统长期的扰动现象而触发,期间发生了一颗恒星的毁灭。事件演变在海山二吞噬了一颗子星、并向太空抛出10倍以上太阳质量的物质时达到高潮。这次质量抛射事件形成了我们现在看到的、哑铃状的双叶型星云——侏儒星云。

研究团队提交了两份研究报告,分别由图森市亚利桑那州立大学的南森·史密斯(Nathen Smith)和马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所(STScI)的阿米·莱斯特(Armin Rest)领衔写作。

本项光回声现象,自2003年的光学图像中开始发现,位于智利托洛洛山(Cerro Tololo)中美洲天文台的中尺度望远镜首先观测到它。接着,天文学家动用位于智利的双子南座望远镜、卡耐基科学基金会下属的拉斯坎帕纳斯(Las Campanas)天文台的大麦哲伦望远镜,对其进行光谱分析,以测量喷出物质的膨胀速率,结果发现其极速竟然超过10,000km/s(光速的1/30,数据根据第1个PDF报告摘要,译注),以这个速度从地球到冥王星也只需几天时间。

研究报告插图,解释侏儒星云的形成过程。在第1阶段,合并开始的两颗恒星间距约5个天文单位,激波在赤道面上形成气体加热现象;第2阶段发生强烈碰撞,产生超高速喷流。

观测提供了新线索以解谜那次巨大的爆发现象。当时,爆发使得海山二在1837-1858的廿余年中,成为仅次于天狼星的夜空中第2亮星。新数据揭示了它是如何成为银河系中最重、最亮的恒星的。

史密斯解释道:“我们看到尽管这颗恒星的喷出物速度这么高,肯定是发生了大爆发,但是它还存活下来了。最简单的模式就是,冲击波踢出了一颗子星,并把物质加速到如此高速。”

大质量恒星通常在其核心坍缩为中子星或黑洞的时候,突然休克死亡。这时,天文学家就会观测到它的绝唱——超新星爆发。所以我们怎么解释,一颗恒星已经发生了类似超新星的爆发,却还能活下来(变成中子星或者黑洞,当然不可能继续成为最大最亮的恒星,译注)?因此,这个爆发肯定不能是恒星的最终死亡事件,但是又要有足够的能量,能把其外壳抛出,而让整个恒星继续存留。

要解释这种事件,一种可能是两颗恒星发生合并,不过在海山二的情况,要找到良好匹配观测现象的演化剧本,还真难。

研究团队建议,要很好地与爆发周围大量的观测事实相吻合,最直接的方法是加入第3颗恒星,而且要发生质量交换。

海山二系统的演化示意图,说明见下文。大图:18.1MB

基于这个剧情,当前观测到的双星系统,最初必须是三合星。史密斯继续解说:“为何我们要建议最初是混乱的三合星系统,是因为它能更好的解释当前的双星系统中,伴星的外壳比大质量的主星居然更早的丢失。”

按照团队推荐的方案,三合星系统由两颗大质量的密近双星和一颗长周期的伴星组成(所有相对稳定的三体系统都是如此,译注)。当密近双星中质量较大的那颗演化到生命后期时,它开始膨胀。由于两颗恒星相距很近,膨胀的外层很快就越过了双方的引力平衡点(所谓“洛西瓣”)而转移到相对较小质量的伴星上。

随着质量转移的持续进行(根据当代的计算机模拟,质量转移一旦开始,就会持续下去,译注),伴星质量最终超过了100个太阳,并变得极端明亮(当前海山二主星的前身,译注);而原先的主星,现在只剩下约30个太阳质量,它的整个氢外壳全部褪净并基本转移到伴星,裸露出氦内核(变成极度炽热的沃尔夫-拉叶星,缩写WR)。

炽热的氦内核代表着大质量恒星演化的后期阶段,Rest接着讲解:“根据恒星演化理论,一个明确的认识就是大质量恒星的寿命短,而小质量恒星的寿命长得多。但是,观测到的热伴星质量虽然小,它的演化却比其大质量主星更加深。如果没有质量转移,这个就完全说不通了。”

质量转移改变了密近双星的引力平衡关系,WR星逐渐远离了它的怪兽级主星(已经是高光度蓝变星,缩写LBV)。内部双星轨道的外扩终于导致了三体不稳定现象:当外围第三颗恒星回归时,热伴星的引力牵扯使得第三颗恒星过近焦点的速度大幅度降低,轨道严重衰减,以螺旋线落向主星。经过几个阶段的近距离盘旋后,第三颗恒星撞在主星上,触发了大爆发。

在超大质量主星与第三颗小质量恒星(估计质量<10个太阳质量)合并的最初阶段,它们螺旋形逐渐接近,抛射物稠密而缓慢扩展(根据研究报告,双方的恒星风对撞,速率约150km/s,下同);随着双方越发接近,抛出物质的速率逐渐增加到约600km/s(基于光谱分析);最终两颗恒星撞在一起,爆发激起的喷发物(主要是氢)速率快了近百倍,超过1万千米/秒!高速喷射物追上并犁开了以前“缓步而行”的物质,加热它们并使其发光。一个半世纪前,天文学家看到的船底座η强烈变亮现象,就是冲击波激发发光的结果。

期间,相对小质量的WR星稳定在椭圆轨道上,大约每5.5年绕LBV巨星一周。当WR星回归并穿过LBV巨星的外层大气时(高光度蓝变星的体积虽然比红超巨星小很多,但还是比主序星阶段大很多,译注),两者恒星风的强烈对撞就形成了我们现在观测到的X线冲击波(研究报告没有分析WR星回归与合并同时进行将会如何,译注)。

对海山二爆发现象的更多了解,能够帮助我们更好地理解双星、三星系统复杂的相互作用,而这对弄清大质量恒星的演化和死亡相当重要。

海山二系统位于南天的船底座大星云,离地球约7500光年。该星云是银河系已知的最大恒星诞生区。

研究团队的两份研究报告,发表在《皇家天文学会月刊》2018.8.2的网络版上:《从海山二大爆发的光回声中发现异常快速的喷发流》、《海山二大爆发光回声的平台现象揭示存在两阶段激波事件》。

 

后记:译者最近翻译进度很慢。2天前突然看到哈勃的陀螺仪故障进入了安全模式,想想从2009.9修复到现在,哈勃已经稳定工作了9年,大大超过前几次的工作时间。我们估计要看不到哈勃的新作了,所以赶快把这篇早该完成的翻译了。附上哈勃停工通告(2018.10.8 美国东部时间16点发布):http://hubblesite.org/news_release/news/2018-50

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