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AT2018cow:天文学家目击恒星变身黑洞 “母牛”在2亿光年远的CGCG 137-068外围

2019/2/3 15:02:00 移动版

AT2018cow:天文学家目击恒星变身黑洞 “母牛”在2亿光年远的CGCG 137-068外围


AT2018cow:天文学家目击恒星变身黑洞 “母牛”在2亿光年远的CGCG 137-068外围


AT2018cow:天文学家目击恒星变身黑洞 “母牛”在2亿光年远的CGCG 137-068外围


AT2018cow:天文学家目击恒星变身黑洞 “母牛”在2亿光年远的CGCG 137-068外围


(神秘的地球报道)据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:林宇威):天文学家终于目击恒星变身黑洞!一位天文物理学家表示:「我们等待这样的天体出现,已经等了好多年了。 」


2亿年前,当恐龙还在远古地球上踩着厚重步伐时,一颗巨大的恒星正迈入垂死挣扎。 这颗恒星死亡后产生的爆炸在宇宙中非比寻常,它的光芒在去年6月总算抵达地球,让科学家抓破了头,仍百思不得其解。


现在,这道神秘闪光的来源可能已经有了答案。 这颗奇特的超新星有个特殊的昵称:「母牛」,由45名天文学家组成的团队对它进行的最新观测,显示人类可能首度捕捉到垂死恒星诞生黑洞的瞬间。


美国西北大学的天体物理学家拉菲拉.马古蒂(Raffaella Margutti)领导该团队,她说:「我们等待这样的天体出现,已经等了好多年了。 」。 她和同事于1月初在华盛顿西雅图举行的美国天文学会年会上,报告了这项研究结果,并将于近期发表在《天文物理期刊》(Astrophysical Journal)上。


这个团队所观测到的数据包含了多个波段的数据,可能证明这颗巨大的恒星坍缩形成中子星,这是一种致密的恒星残骸。 而其他团队研究「母牛」后,则是对这颗天体的异常表现提出了其他解释。 那么我们到底知道「母牛」的那些信息呢? 为什么天文学家对它充满了疑惑? 快来跟着我们一探究竟吧!


「母牛」的位置在哪里? 为什么会有这样的昵称?


「母牛」是在距离地球约2亿光年远的矮螺旋星系CGCG 137-068外围爆发的天体。 之所以称为「母牛」,是因为根据规则自然产生的正式名称就是AT2018cow。 一群天文学家在2018年6月16日,使用夏威夷的ATLAS望远镜观察到这个天体,并在6月17日通报其他天文学家,引发许多望远镜竞相转向这个天体,观测这场爆发的后续情形。


「母牛」有什么特别的呢?


「母牛」并不是我们在夜空中第一次看到这样的闪光,但却是目前为止侦测到距离最近的一个,这让科学家有了前所未有的机会,能够仔细进行观测。 它的亮度非常明亮,变亮的速度也非常快。 「母牛」最亮的时候,在X射线波段的亮度甚至比一般的恒星爆发(也就是超新星)亮了十倍之多。 「母牛」只花了几天时间就达到亮度的巅峰,但一般的超新星则需要花上几个星期。


此外,我们一开始还搞不太清楚「母牛」的能量来源。 在一般的情况下,超新星爆炸的能量来自内部的放射性同位素镍-56。 但当天文学家计算「母牛」抛射出的碎屑物质时,却发现总量低得惊人,可能仅相当于我们太阳质量的十分之一。 这非常地怪异,因为一般而言,超新星会喷发出相当于十个太阳的碎屑量。


即使「母牛」的碎屑全都是由镍-56组成,也不会有足够的能量供给观测到的那种爆发现象。 不仅如此,天文学家还意外发现,碎屑物质中含有氢和氦。 之所以说意外,是因为爆发形成超新星的恒星,应该早已把这两种元素用作核融合的燃料耗尽才对。


「母牛」发出辐射的方式也非常与众不同。 举例来说,马古蒂的团队请求美国航天总署(NASA)将核光谱X射线望远镜数组(NuSTAR)指向这个天体。 观测数据显示,「母牛」出现的一星期过后几天,它的高能X射线竟意外地变得更明亮了。 「当我们收到这些数据时,第一反应是我们是不是有什么东西搞错了。 」马古蒂这么说。


我们知道「母牛」是怎么形成的吗?


目前天文学家的共识是,「母牛」的中心有个向外发出高能X射线的致密「中心引擎」。 无论这个天体是什么,它显然都被包覆在某种爆发后抛射物质所形成的非对称团块之中。


「有个笑话是这么说的,我们物理学家总是把很多东西仿真成球体母牛1,但显然地,这头『母牛』并不是个球体,」这篇研究论文的共同作者──美国哥伦比亚大学的物理学家布莱恩. 梅茨格(Brian Metzger)这么说:「很难把这解释成一个球体对称的事件,因为如果X射线的光源也是可见光辐射的能量来源,那么这些X射线又是怎么抵达地球的呢? 」


马古蒂团队建立的模型是这么描述的:相对于这个天体赤道附近的物质团块来说,从两极抛出的碎屑运动得更快,因此也会更快变得透明。 赤道附近的团块会吸收天体中心引擎所发出的高能X射线,温度因此升高,产生「母牛」的可见光。 但是,也有一些高能的X射线会从「母牛」较为透明的两极散逸出来。


同时,「母牛」的无线电波讯号显示,这简直是头横冲直撞头的牛。 当「母牛」爆炸时,有些碎屑向外飞散的速度甚至超过每秒2万9000公里,约相当于光速的十分之一。 其中速度最快的物质,似乎冲撞了「母牛」周围的稠密粒子团块,造成温度升高,并因此产生无线电波讯号。
那么,「母牛」的「中心引擎」是什么?


马古蒂的团队认为最可能的情况有两种。 「母牛」可能是一颗高度磁化的中子星,每秒钟自转约1000次。 另一种可能性是,当巨大炙热的蓝超巨星爆炸失败,变成黑洞时,才形成了「母牛」这个天体。


在第二种状况下,恒星内部的大部分物质发生坍缩,而形成黑洞,但一开始恒星的最外层物质还没有反应过来。 当内部的黑洞加速变大时,恒星的部分质量会以微中子这种鬼魅般的粒子形式丧失。 当微中子从恒星中心向外飞出时,会在黑洞吞噬外层物质之前,就将外层的部分物质抛射出去。 而这些未被吞噬的物质,很快地就在新生黑洞的周围吸积成为圆盘。


有没有关于「母牛」的其他理论呢?


马古蒂和她的同事,并不是唯一提出「母牛」拥有中心引擎的科学团队。 在另外一篇已经被《天文物理期刊》接受的论文中,另一组由美国加州理工学院的天文学家安娜. 何(Anna Y. Q. Ho)所领军的团队,也得到了类似的结论。


但是,英国利物浦约翰摩尔斯大学的天文物理学家丹尼尔. 柏利(Daniel Perley)在他的研究论文中指出,当原本就存在且质量相对较大的黑洞,吞噬了与太阳质量相当的恒星后,这样的「潮汐力破坏事件」才会造就像「母牛」这样的天体。 当黑洞强大的重力撕裂恒星时,恒星的气体可能会聚集在黑洞周围,形成圆盘,并在过程中产生像是「母牛」那样非比寻常的光芒。


问题在于,在星系外围存在这么大的黑洞,能否说得通呢? 尤其是根据「母牛」的无线电波讯号来看,这个区域的气体应该非常稠密。 目前的科学理论认为,这样大小的黑洞应该要在星团中才能形成,但星团中应该没有太多额外的气体才对。


马古蒂认为,如果「母牛」周围的团雾是巨大恒星所抛射出来的物质,而这颗恒星在之后会坍缩形成中子星或黑洞,那么「母牛」所处的环境才更能说得通。 不过,柏利指出,我们目前还没有发现并研究过像他们团队所提的那种质量规模的黑洞。 因此,我们也无法断定这个理论与是否与事实相符。


「马古蒂的团队有好几位顶尖的超新星专家,但我希望能有专精于潮汐力破坏的天文学家加入,看他们能不能想办法让一切都说得通。 」柏利如此表示。


接下来会进行怎样的研究?


对「母牛」进行更长期的观测,将有助于揭露中心引擎的真面目。 梅茨格认为,如果「母牛」的中心有颗磁化的中子星,可能会在几年后发出X射线闪焰。 但如果「母牛」的中心是个黑洞,就不会有这样的闪光出现。


不过,了解「母牛」最有效的方式,就是寻找更多与之类似的天体。 也是到最近,随着更多的自动化望远镜和大尺度巡天项目开始运作之后,天文学家才有能力观测到这样的天体亮度暴增现象,并展开后续的实时追踪观测。


「对夜空进行巡天计划,就像是拍电影一样...... 实在是很让人兴奋。 」梅茨格这么说道:「我们不再把宇宙当成静止的事物,而是非常活跃,甚至是在短短几天的时间尺度内,也是如此。 」


相关报道:太空“奶牛”让科学家不解 多种理论解释有缺陷


(神秘的地球报道)据中国科学报(赵熙熙):去年6月,天空中突然出现了一道异常明亮的光,这让天文学家陷入了疯狂。经过几个月的研究,他们仍然不确定这个闪光到底是什么——官方称其为“AT2018cow”,但在全球它被戏称为“奶牛”。如今,科学家在1月11日于华盛顿州西雅图市举行的美国天文学会会议上提出了一些想法。然而无论它是什么,卢波克市得克萨斯理工大学天文学家Liliana Rivera Sandoval说:“它非常奇怪。”


这头牛于2018年6月16日首次出现在望远镜观测中,后来被证明是一个大约2亿光年之外的小星系。它非常明亮,并且前一天还没在那里。这种快速的出现似乎排除了超新星的可能性,因为这种恒星爆发的亮度通常增长得更为缓慢。英国利物浦市约翰·摩尔斯大学天文学家Daniel Perley说:“当我们看到这个现象时,我们想,让我们开始吧。”


天文学家最初认为,“奶牛”是一个离我们更近的事件,很可能发生在银河系中,比一颗超新星造成的灾难要小得多。一种可能是一颗白矮星吞噬了一颗伴星的物质,并在此过程中偶尔燃烧起来。这类事件在银河系很常见。但是对AT2018cow进行的光谱分析很快表明,这个天体离地球太远了,处于另一个星系里——这么远的距离是永远看不到一颗闪耀的白矮星的。


Perley是一个名为“GROWTH”的全球快速反应望远镜网络的领导者之一,该网络的几台望远镜很快就对准了“奶牛”。其中包括西班牙加那利群岛拉帕尔马的利物浦望远镜和加利福尼亚的帕洛玛天文台。Perley说:“在最初的两周里,我们放弃了一切,每晚观察7次。”


早期的观察证实这头“奶牛”确实很奇怪。它没有显示出超新星发出的光的变化,它的亮度持续增长,亮度和热度持续了近3周。“这些都是超新星通常不会做的事情。”Perley说。


Sandoval说,当她和同事在2018年知道“奶牛”离我们真的很远时,他们要求美国宇航局的尼尔·盖恩斯·斯威夫特天文台对其在紫外线和X射线下的活动进行了观测。轨道飞行器的观测显示,该天体在光谱的这两个部分都非常明亮。尽管X射线的亮度在最初的几周内出现了波动,但“光谱没有出现变化,这是非常不寻常的”。Sandoval说。3周后,X射线信号开始剧烈波动,同时亮度也开始下降。


许多天文学家一致认为,这一事件持续时间长且稳定,意味着它在最初爆发后由某种形式的中央引擎提供能量。但这个引擎可能是什么还远不清楚。一些人认为这可能是一颗不同寻常的超新星,其核心在恒星爆发后向内坍缩。另一些人则认为这是潮汐破坏事件——恒星被黑洞撕裂。但这通常需要星系中心的超大质量黑洞,而“奶牛”位于星系的旋臂上。因此,有人说,这可能是一个由中等质量黑洞引发的潮汐扰动事件,尽管这种小黑洞存在的证据仍存在争议。“所有的解释都有问题。”Sandoval说。


在这头“奶牛”被发现4天后,帕萨迪纳市加州理工学院的Anna Ho在夏威夷的莫纳克亚使用亚毫米阵列望远镜对其进行了观测。在无线电频谱的短端,毫米波通常不被用来观测这类爆发的天体,因为其信号衰减得太快,望远镜无法捕捉到。而这头“奶牛”与众不同。“过了几天,它依然还是很亮。”Ho说,“这是我们第一次看到这样的光源。”


Ho相信这个信号显示了最初爆发的冲击波击中周围密集的气体和尘埃云。当这种情况发生时,云就会变热,气体就会发出不同波长的光。与此同时,当冲击波穿过云层向外传播时,辐射便会继续。亚毫米信号随时间的突然减弱可能标志着冲击波达到了气体云的外部极限。


Ho指出,如果天文学家将来能找到其他类似的光源,用这种方法研究激波将为他们提供有关其大小、速度、总能量以及恒星周围环境结构的宝贵数据。加州帕洛阿尔托戈登与贝蒂·摩尔基金会天文学家Bob Kirshner说:“这将告诉我们这颗恒星在爆发前做了什么。”


正如经常发生的那样,研究人员需要的是更多的数据。“我希望有更多的‘奶牛’。”Sandoval说。


相关报道:“母牛”太空大爆炸事件揭秘 国际团队做出新解释


(神秘的地球报道)据科技日报(田学科):发生于去年年中的一次绰号为“母牛”的太空大爆炸事件,一直困扰着全球天文学家和天体物理学家。现在,一个包括伦敦大学学院在内的多国科学家组成的研究团队,对这场神秘爆炸作出了新解释。


此次天体爆炸事件已被正式命名为AT2018cow,简称“母牛”事件,于2018年6月被观测到。与之前见过的任何天体爆炸都不同的是,其3天之内突然发出的爆炸光线至少比典型的超新星亮10倍,然后在接下来的几个月内褪色。这个不寻常的事件发生在武仙座一个名为CGCG 137-068的恒星系附近,距地球大约2亿光年远,由美国国家航空航天局(NASA)资助的夏威夷小行星陆地撞击最后警戒系统望远镜首次观测到。


研究团队使用NASA的多种设施采集数据,包括尼尔·格雷尔斯雨燕天文台(Neil Gehrels Swift天文台,用于探测伽马射线爆发的太空望远镜)和核光谱望远镜阵列(一种基于太空的X射线望远镜)。结果发现,有证据表明变成碎片的星是一颗白矮星,即一颗热的、大约地球大小的恒星残骸,类似太阳这样恒星的最终状态。主要研究人员、伦敦大学学院天体物理学家库因认为,“母牛”在很短时间内产生了大量的碎片,而像太阳这种体积较大、密度较小的恒星,需要更大的黑洞,在较长的时间内破碎并消耗这些材料。为此,研究人员计算出与此次爆炸有关的黑洞质量,约为太阳的10万到100万倍,几乎与主星系的中心黑洞一样大。


在银河系中心之外看到这种尺度的黑洞是不寻常的,“母牛”可能发生在附近的伴星系或球状星团中,这里有较老的恒星群,可能比一般星系拥有更高比例的白矮星。


该研究得到了英国航天局和英国科学技术设施委员会的支持,主要成果发表于最新出版的《皇家天文学会月报》上,并于近日在西雅图举行的第233届美国天文学会会议上分享。

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