首次拍攝到超新星爆發前後,是顛覆了科學理論,還是完美驗證?

科學界過去已經拍攝到了許多超新星爆發的照片,但都是在爆發後才發現的。最近,一些科學家首次拍攝到了一顆超紅巨星(或叫紅超巨星)最後的時刻,目睹了這顆超級巨星的自毀過程。

這個發現刊登在最近出版的《天體物理學期刊》上,論文介紹,在這顆名為SN 2020tlf的超紅巨星爆發前,科學家們持續觀測了130天。這是一顆位于NGC 5731星系內的恒星,質量約太陽的10倍,距離我們約1.2億光年。

科學家們目睹了這顆恒星在最後的坍縮前就猛烈噴發,最終爆發成一顆II型超新星。超新星爆發後,天文學家對它進行了持續的監視。報導出來後,引起了社會廣泛熱議。有人(包括我)認為這次發現,完美地驗證了恒星理論;但也有人認為顛覆了過去的理論。

如我看到有一篇自文章,打出了這樣的標題:「人類第一次親眼看到,恒星死亡全過程,發現之前的科學理論全錯了」。我認為這種說法是錯誤的,會誤導讀者,科普要嚴謹,是不能糊弄人的。為了以正視聽,這裡就特發一篇文糾正這個說法。

紅超巨星會悄無聲息地死亡嗎?

這位作者之所以說理論全錯,似乎依據是說過去理論認為,超紅巨星死亡是悄無聲息的,我實在不知道這位作者在哪裡看到這種「理論」。正確的天文物理學理論是:紅超巨星是大質量恒星演化末期的瀕死狀態,其結局就是超新星爆發,爆發後會留下一顆中子星或黑洞。

比較典型的超紅巨星有不少,其中比較典型的是獵戶座的參宿四,這是一顆約太陽質量11.6倍的恒星,現在已經演化到了最後的紅超巨星階段,半徑達到了太陽的近千倍,如果參宿四在太陽位置,其邊緣部分就將近在木星位置,水星、金星、地球、火星都將被吞噬掉,木星也會被氣化。

科學家們對這顆星的死亡時間推測有些不一,有的認為在千年內就會發生超新星爆發,爆發後會留下一顆中子星。參宿四實際上就是和SN 2020tlf質量和性質相近的一顆超紅巨星,最終的結局都是通過II型超新星爆發,留下核心一顆中子星。

這次科學觀測到SN 2020tlf爆發,整體上是符合理論預測的,只是一定程度上充實了以前對紅超巨星爆發前狀態的推測。所謂爆發前推測,是因為過去從來也沒有看到過從爆發前一直到爆發的過程,以為II型超新星爆發是突然爆發,沒有預兆,因此認為爆發前比較平靜。

其實恒星演化到這個時刻,猛烈爆發前是不可能沒有預兆的,內部熱核反應失控的過程會導致光輻射猛烈增加,內部結構急劇變化而猛烈噴發氣體,這些都是符合邏輯的,而這次觀測結果只是證實了這一點而已。

但不管如何說,超紅巨星最終死亡都不可能是悄無聲息的,而是轟轟烈烈的爆發,雖然細節上有新的發現,但總體上說,是完美驗證了恒星演化理論。因此,所謂「過去的科學理論全錯了」的說法,實在是自己錯得太離譜了。

恒星的屍骸有四種,個個死法不同

死得最悄無聲息的是紅矮星。

由于其質量較小,核心壓力較小溫度較低,核聚變比較平和,當核心的氫燒完後,核聚變就會停止,溫度壓力無法點燃後續的核聚變,星體慢慢冷卻成為一顆黑矮星。

不過正是由于紅矮星質量小,核聚變反應慢,燃料消耗小的緣故,其壽命超長,一般都在數千億年甚至數萬億年。迄今為止,宇宙壽命還只有138億年,因此所有的紅矮星還都處于青少年時期,沒有一顆紅矮星死亡變成黑矮星。

其次,死得比較低調的是我們太陽質量左右的這種恒星。

太陽質量0.8倍到8倍之間的恒星,核心部分的氫燃料燒完後,核聚變暫時停止,星體坍縮的重力收縮壓會大大提升核心溫度和壓力,導致氦以後元素的核聚變,一直到碳元素結束。

這個過程,由于引力和氦閃等一系列內部變化,會導致恒星外殼膨脹,這樣就變成一顆紅巨星,半徑將達到過去的200倍左右。而且隨著膨脹的加大,週邊氣體物質會漸漸飄散到太空,最終在核心部分留下一個緻密的碳核,體積只有地球大小,質量卻有太陽的0.5~1.4倍,這就是白矮星。

很顯然,我前面說的那個認為「過去的科學理論全錯了」的說法,是把SN 2020tlf這樣的 超紅巨星,當成了太陽類恒星演化後期的 紅巨星,才會出現這種全盤否定科學理論的錯誤說法。

太陽質量8倍以上的恒星會死得轟轟烈烈,且有兩種屍骸。

這類大質量恒星核心氫元素消耗殆盡後,星體坍縮的壓力和溫度會導致一系列更重元素的核聚變,一直到鐵元素結束,核心會留下一個緻密的鐵核。當核心的鐵核質量達到太陽的1.44倍時,所有核聚變停止,劇烈坍縮形成的高溫高壓會導致恒星內部熱核失控,發生超新星大爆炸。

在大爆炸之前,這種大質量恒星會膨脹成一顆超紅巨星或超藍巨星。注意,這裡的超紅巨星,應該與太陽演化後期膨脹成的紅巨星區別,紅巨星膨脹尺度只有太陽半徑的200~300倍,而超紅巨星可以膨脹到太陽半徑的1000倍,甚至更大。

科學家觀測到爆炸的SN 2020tlf,就是一顆超紅巨星,而不是紅巨星。

大質量恒星發生超新星大爆炸後,屍骸有兩種。

第一種是約太陽質量9倍到30倍以下的恒星,爆炸後會留下一顆約太陽質量1.44倍到3倍左右的中子星;第二種是太陽質量30倍到40倍以上的恒星,爆炸後直接會留下一個太陽質量3倍以上的黑洞。

這就是恒星演化的大致結局。所謂「大致」,就是大的方面是這樣的,不同的恒星在一些細節上會有區別,形成各種屍骸的恒星質量界限也不是那麼絕對。我們不是搞科學研究,只是一般常識科普,就沒有必要弄得那麼吹毛求疵和杠精了。

天文物理學和標準宇宙模型一直都在發展中,會隨著觀測發現和深化研究不斷完善和修正。迄今為止,天文發現與理論模型的預測越來越契合。你怎麼看?謝謝閱讀,歡迎討論。

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