科學人雜誌
天文學

恆星自爆前一刻

2021-02-01 何安娜(Anna Y. Q. Ho)
天文學家已經知道眾多恆星的死亡方式,但近年發現許多不尋常的 超新星,因此描述恆星死亡過程的理論可能需要修正。

重點提要

  1. 恆星的死亡主要取決於質量,看似是個簡單的故事,近年天文學家卻接連發現不尋常的恆星死亡事件。
  2. 有些恆星單純爆炸成超新星,有些恆星在垂死時噴發出強大噴流或劇烈爆發。究竟決定恆星的死亡因素為何?
  3. 離奇的恆星死亡事件或許並不稀罕,新一代望遠鏡將有助於找出恆星的死亡前兆。


2018年9月9日,一座自動望遠鏡在夜晚的例行巡天觀測時發現了一顆天體,像是新誕生的恆星。接下來數小時,這顆「恆星」的亮度迅速增加10倍,自動觸發了我開發的異常天體事件辨識軟體,並立即標記下來。當時在美國加州是夜晚,我已睡著,但位在地球另一端的同事迅速反應。12小時之後,我們團隊從地面與太空望遠鏡獲得足夠資訊,確認是在遙遠星系裡發生的恆星爆炸(即超新星)。不過,這並非尋常的超新星事件。


綜合各望遠鏡的觀測結果,我們提出結論:這顆恆星在發光數百萬年後,突然發生驚人的神秘現象──從恆星表面釋出氣體,在周圍形成繭狀結構;數天或一星期後,恆星便爆炸了。這顆恆星爆炸後的殘骸與繭狀結構碰撞,產生異常明亮的短暫閃光。由於此爆炸發生在遙遠星系,發出的光抵達地球約需10億年,昏暗而無法以肉眼觀察,但對天文台來說已足夠明亮。我們搜尋望遠鏡的觀測記錄,在此恆星爆炸前兩星期的資料中,發現了大量氣體釋出的現象,當時亮度只有爆炸時的百分之一。


恆星死亡的方式多到難以想像,而上述現象只是最近幾個新發現之一。舉例來說,有些恆星塌縮、形成超新星後,恆星殘骸仍極度活躍,噴發出的物質噴流以相對論性速度運動。這類能量可以摧毀恆星本身,遠大於一般超新星所產生的;另有一些恆星在一生的最後數天到數年,藉由一連串猛烈的噴發,拋出了大量氣體。這些極端事件似乎不常見,但也代表天文學家對於恆星的成長與死亡仍所知有限。


目前,我和同事檢視了許多不尋常的恆星死亡事件,都不符合以往的假設。我們陸續提出並回答一些基本問題:究竟哪些因素決定恆星的死亡方式?為什麼有些恆星在垂死時會猛烈噴發噴流或爆發,而其他恆星只是單純地爆炸?


死亡就是新生

恆星誕生、成長與死亡的過程是各種作用力相互競爭的結果。在星際氫氣雲中,當向內拉扯的重力勝過向外推離的磁場與氣體粒子的高速運動,就會形成恆星胚胎。當部份氫氣雲塌縮後,恆星胚胎的密度增加20個數量級,溫度則上升數百萬度,氫原子開始碰撞並結合成氦,觸發核融合,一顆新恆星便誕生了。


就像氫氣雲,恆星內部也是戰場:重力不斷使恆星向內塌縮,核融合產生的壓力則不停向外推。恆星的演變取決於溫度,而溫度又與恆星質量有關。恆星越重,可鍛造出的元素越重,內部燃料燃燒越快;最輕的恆星最多只能把氫融合成氦,太陽誕生40多億年,仍在燃燒氫。越重的恆星壽命越短,只有約1000萬年,卻製造出更多元素:氧、碳、氖、氮、鎂、矽,甚至鐵。


恆星的質量也決定了死亡的方式。低於八倍太陽質量的低質量恆星,死亡時相對平靜;當這類恆星的核燃料耗盡後,會把外層拋入太空,形成美麗的行星狀星雲,裸露的恆星核熾熱緻密,稱為白矮星,質量約為太陽的一半,體積僅比地球大一點。


然而,較重恆星的核心溫度高、壓力大,會更加猛暴劇烈地死去。當核融合鏈生成到鐵時,環境變得異常熾熱,鐵原子開始崩解為較小的碎片,使得核融合鏈中止,恆星失去了內部壓力。而重力主導一切,造成核心塌縮,直到原子緊密結合在一起,反向作用的強核力登場,強核力的效應才變得明顯。此時,未燒盡的核心成為奇特的中子星,是一種主要由中子組成的緻密天體。如果恆星質量夠大,例如高於20倍太陽質量,重力甚至可以勝過強核力,使中子星進一步塌縮成黑洞。無論是哪種方式,當恆星核心塌縮時所釋出的部份能量,會產生極明亮的爆炸並把外層拋入太空,光芒在數天內會掩蓋過該星系中其他恆星。


人類用肉眼觀察超新星已數千年。1572年,丹麥天文學家第谷(Tycho Brahe)注意到仙后座有顆新星和金星一樣亮,並且維持該亮度長達數個月。第谷在記錄中寫道,他非常震驚,不禁懷疑自己的眼睛。今天,該爆炸遺留的碎片依然可見,稱為「第谷超新星殘骸」。


超新星必須夠亮,我們才能以肉眼觀看,例如銀河系裡的第谷超新星或在衛星星系誕生的超新星,但這類情況極為罕見。儘管我衷心期盼目睹超新星誕生,但若沒借助望遠鏡,可能一輩子也無緣看見。近百年來,天文學家開始運用望遠鏡往銀河系外尋找超新星:重複觀測同一組星系並尋找稱為「瞬變」的現象。現在,望遠鏡完全自動化,並配備現代相機,每年都能發現數千顆超新星。


死亡前兆

1960年代發現了γ射線爆發(GRB),是某些恆星以極端方式死亡的早期訊號;顧名思義,GRB指的是這類恆星會發出強烈明亮的γ射線。天文學家認為,當大質量恆星塌縮成中子星或黑洞時,新生的緻密天體會從核心噴發出束狀物質噴流,成功穿過散佈的恆星殘骸。當噴流恰好指向地球時,便可偵測到這樣的猛暴事件。

產生這種噴流的原因為何?基本圖像如下:當一顆普通恆星耗盡燃料死亡時,結局是核心塌縮成中子星或黑洞。但GRB發生時,死去的恆星仍保持活躍,這可能是新生黑洞從周圍的物質盤吸收質量,並在過程中釋出能量;或者是剛誕生的中子星快速自轉,卻因強大磁場造成煞車作用而減速,並釋出能量。無論是哪種方式,這種「中央引擎」汲取了能量,匯聚成極熱的電漿噴流,自恆星中心穿過墜落的物質,釋出明亮γ射線。


這類噴流穿過恆星而使其爆炸,形成Ic-BL型超新星,釋出的能量比普通超新星大10倍。當噴流衝撞周圍的氣體和塵埃時,發出的輻射波長涵蓋所有電磁波段,稱為餘輝(afterglow)。餘輝很難偵測,雖然比典型超新星亮1000倍,但發光的時間是典型超新星的1%,從出現到消逝只有短短數小時。當衛星發現GRB,天文學家立刻把望遠鏡對準通報的爆發位置,才有機會偵測到餘輝。


但是,只等待衛星發現GRB訊號,限制了可偵測的現象種類。GRB由許多因素造成:必須產生噴流、噴流穿透恆星、然後指向地球。事實上,GRB極不可能發生:噴流的運動速率必須是光速的99.995%,否則釋出的γ射線光子無法逃逸(亦即不透光)。但要達到這樣的速度,噴流穿透恆星時必須不撞擊恆星物質。如果多數噴流確實因撞擊恆星物質而減速,天文學家是否只能看到少部份穿透恆星的噴流呢?換句話說,GRB或許只是罕見狀況:超高速噴流未撞擊到太多物質而成功逃脫恆星。如果真是如此,γ射線衛星根本不能觀測到多數恆星的極端死亡事件。


在我的論文中,我希望不用衛星便能尋找餘暉。我計畫運用加州帕洛瑪天文台的自動望遠鏡「茲威基瞬變設備」(Zwicky Transient Facility),巡天搜尋發光時間極短暫的明亮光源,並迅速進行觀測。2018年5月,當我提出論文計畫時,幾位指導教授提出警告,我可能無法看到我想觀測的現象。他們敦促我保持開放態度,新的調查方法可能浮現。沒想到一個月後,事情便發生了。兩年後,當我畢業時,我的論文與最初設立的計畫完全不同。


當我展開研究工作時,寫了一個程式,希望尋找比一般超新星亮度變化更快的天體。一天之內,我需檢查10~100個可能事件,通常都不是我想觀測的天體,但在某些日子,我會看到必須詳細檢視的事件。


2018年6月,我看到一份來自「小行星天體衝擊最後警報系統」(ATLAS)的自動望遠鏡觀測報告,描述一起名為AT2018cow的奇怪事件。AT代表「天文瞬變」,2018是發現年份,而cow代表此事件的獨特字串,所有新的瞬變事件都會根據這個規則命名。接下來幾天,有報?指出該事件與GRB相似,但尚未偵測到γ射線的跡象。我想:「啊哈,就是它了!」由於AT2018cow相當明亮,而且與地球相隔不遠,天文學界對該天體的興趣相當濃厚,也透過整個電磁波段加以觀測。我立即決定運用位在夏威夷的「次毫米波陣列」(SMA)電波望遠鏡觀測AT2018cow。

盲人摸象

AT2018cow幾乎讓所有人驚訝,它與之前的任何恆星爆炸事件大為不同。天文學家就像經典寓言「盲人摸象」裡的盲人,試圖在黑暗中識別大象。摸到鼻子的人說像條大水管,摸到耳朵的人認為像把扇子,而摸到象腿的人宣稱像棵大樹。AT2018cow與幾種類別的現象有相同特徵,科學家卻難以完整描繪出確切圖像。

我和團隊成員日夜反覆檢視觀測資料,試圖解釋這些數據:有時在黑板上計算震波的特性;有時高舉著剛出爐的論文,在走廊上奔跑;每當收到漂亮的最新量測結果時,同事間更驚訝相視。這些生活點滴是我就讀研究所時最珍貴的回憶。最後,我們得出結論,AT2018cow有兩項特點:第一是中央引擎,效應就像GRB,但持續達數星期,而非典型的數天;從爆炸中心發出的X射線,維持得比預期久。第二是氣體和塵埃會像繭,包覆爆炸的恆星,質量約為太陽質量的千分之一。間接觀測證據顯示:當恆星爆炸時,可觀測到一陣閃光與無線電波,似乎代表恆星殘骸撞擊周遭物質。觀測其他類型的恆星爆炸時也看到這種繭,但並不了解這種繭的來源,推論可能是恆星爆炸前不久拋出的物質。

假如此理論正確,則是天文學家第一次目睹中子星或黑洞這類緻密天體誕生;一般而言,恆星爆炸的碎屑會完全遮蔽中心殘骸,但以AT2018cow為例,我們認為確實看到緻密天體發生驚人現象並發出明亮X射線。即使如此,仍有許多問題待解決:什麼類型的恆星爆炸造成此事件?它的中央引擎是中子星或黑洞?為何恆星在爆炸前不久便拋出物質?我們的研究若要有所進展,必須找到類似事件,我和同事便運用茲威基瞬變設備尋找另一起AT2018cow......

# 關鍵字:天文學超新星恆星
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