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放射性元素提供星星爆炸的瞥见

放射性56Ni在中微子驱动的超新星爆炸的三维模拟的喷射物中的时间演变。图像显示从爆炸发生后不久(3.25秒)到最后不对称性确定后的较晚时间(6236秒)时的非球形分布。颜色表示根据每个面板给出的比例的径向速度。 ©MPA

使用精心设计的计算机模拟,研究人员展示了气态超新星遗迹Cassiopeia A中的放射性元素如何能够为大质量恒星的爆炸提供瞥见。 / em

作为超新星爆炸的恒星是宇宙中重化学元素的主要来源。在这些星型爆炸中,放射性原子核在爆炸过程中最热的区域合成,因此可以提供启动爆炸的不可观测物理过程的见解。使用精心设计的计算机模拟,来自马克斯普朗克天体物理研究所(MPA)和日本RIKEN研究所的研究人员团队能够解释最近测量的Cassiopeia A中放射性钛和镍的空间分布,这是一种约340年历史的气体附近超新星遗迹。计算机模型为理论观点提供了强有力的支持,这种恒星死亡事件可以由中子星从爆炸起源处留下的中子星逸出而发起和驱动。

巨大的恒星在巨大的爆炸中结束他们的生命,即所谓的超新星。在稳定演化的数百万年内,这些恒星已经建立了一个由铁构成的中心核心。当核心达到太阳质量的1.5倍时,它在自身重力的影响下崩溃并形成一颗中子星。在这次灾难性事件中释放出巨大的能量,主要是中微子的排放。这些几乎无质量的基本粒子在新生中子星的内部大量产生,其中密度比原子核高,并且温度可以达到500亿开氏度。

50多年来,触发和驱动爆炸的物理过程一直是一个未解决的难题。提出的理论机制之一引用了中微子,因为它们带走了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的一小部分中微子被周围的气体吸收。这种加热会引起气体的剧烈运动,类似于炉子上一壶沸腾的水。当气体的鼓泡变得足够强大时,超新星爆炸就像锅盖被吹掉一样。垂死恒星的外层被驱逐到星周空间中,并且带着恒星在其生命中通过核燃烧聚集的所有化学元素。而且在爆炸的热喷射物中也产生了新的元素,其中包括放射性物质,如44Ti(其原子核中含有22个质子和22个中子的钛)和56Ni(28/28中子/质子),其衰变为稳定的钙和铁,分别。如此释放的放射性能量使得超新星多年来闪耀着光芒。

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。黄十字标记爆炸的几何中心,白十字和箭头表示中子星的当前位置和运动方向。 ©Macmillan Publishers Ltd:自然;来自Grefenstette等,Nature 506,339(2014); Fe分配由U.〜Hwang提供)

由于中微子加热气体的野外沸腾,爆炸波开始非球形,并且在抛射出的恒星物质和整个超新星上形成了大规模的不对称性(图1),这与观测到的许多超新星及其气体残留物中的团块和不对称。爆炸的最初不对称具有两个直接后果。一方面,中子星受到的反冲动量与较强爆炸的方向相反,超新星爆发的气体以更多的暴力驱逐。这种效果类似于当一名乘客跳下时划艇受到的踢腿。另一方面,从硅转变为铁的重元素,特别是44Ti和56Ni的重元素在爆炸更强烈和更多物质被加热到高温的方向上更有效。 “我们已经预测了几年前我们对中微子驱动的超新星爆炸的三维(3D)模拟的效果,”RIKEN的研究员兼2013年相应出版物的主要作者Annop Wongwathanarat说,当时他在MPA工作与他的合着者H.-Thomas Janka和EwaldMüller合作。他补充说:“放射性喷射物的不对称性越大,中子星球就越大”。由于放射性原子核是在超新星最内层区域合成的,在中子星附近非常接近,它们的空间分布最直接地反映爆炸不对称。

Cassiopeia A(Cas A)的新观测结果可能同时证实了这一理论预测,这是超新星的气体残余物,其光线在1680年左右到达地球。由于它的年龄和相对距离仅为11,000光年,Cas A为测量提供了两大优势。首先,44Ti的放射性衰变仍然是一种有效的能量来源,因此通过检测放射性衰变的高能X射线辐射,可以在整个残留物中高精度地映射出这个原子核的存在。其次,中子星的速度在天空平面上的大小和方向也是已知的。

可观察到的放射性镍(56Ni,绿色)和钛(44Ti,蓝色)如图1所示的中微子驱动的超新星爆炸的3D模拟所预测的那样。针对与图A的Cas A图像最接近的可能相似性, 2A。中子星由一个白色十字标记,并且由于它的击球速度而从爆炸中心(红色加号)移开。中子星运动指向远离包含大部分弹射44Ti的半球。铁的速度。中子星运动指向远离包含大部分弹射44Ti的半球。铁(Ni56的衰变产物)只能在Cas A的外壳中观察到。©MPA

由于中子星以每秒至少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预计将非常明显。恰恰这在观察中可见(图2,左图)。虽然紧凑的残余物向下半球的速度增加,但是44Ti中大部分最大和最亮的团块出现在气体剩余物的上半部分。从适当选择的方向看,计算机模拟与观察图像显示出惊人的相似性(图2,右图)。但是,钛和铁的空间分布不仅与Cas A的空间分布类似(对于3D可视化,参见图3与Cas A的3D成像相比较,可在http://3d.si.edu/explorer找到)。 modelid = 45)。而且这些元素的总量,它们的膨胀速度和中子星的速度与Cas A的非常一致。“这种再现观测基本性质的能力令人印象深刻地证实,Cas A可能是一个残留物H.-Thomas Janka总结道,中微子驱动的超新星在其新生的中子星周围发生剧烈的气体运动。

但是需要做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驱动的。 “Cas A是一个非常感兴趣和重要的物体,我们还必须了解其他化学物质的空间分布,例如硅,氩,氖和氧气”,EwaldMüller评论道,指出Cas的美丽多组分形态通过3D成像显示(参见http://3d.si.edu/explorer?modelid=45)。举一个完全令人信服的案例,一个例子也是不够的。因此,该团队加入了一项更大的合作,通过对年轻超新星遗迹的更大样本的仔细分析,来测试中微子驱动爆炸的理论预测。研究人员一步一步希望收集能够解决超新星机制长期存在问题的证据。

56Ni的3D视图44Ti的3D视图

发表:Annop Wongwathanarat等人,“在类似Cassiopeia A的三维超新星模型中生产和分配44Ti和56Ni”,APJ,2017; DOI:10.3847 / 1538-4357 / aa72de

来源:马克斯普朗克研究所