【最新研究】奇怪的爆炸,奇怪的星,科學家:遙遠宇宙中發生了難以想象的事件

上古時代宇宙中存在著一種奇異的巨型天體。這些天體的質量可以在太陽的300倍以上。它們外表看來如同巨型的普通恒星,能夠發光發熱,但運作機制卻不盡相同。這些巨星被稱為「第三類恒星(Population III stars)」。

藝術家筆下描繪的「第三類恒星」。這類恒星僅存在于宇宙創生后大約1億年的時候。NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva / Spaceengine

「第三類恒星」被科學家認為是宇宙中的第一代恒星。它們存在于宇宙誕生后僅1億年時。今天宇宙中已經看不到「第三類恒星」,因為它們早已全部消亡。而它們消亡的方式是通過一種難以想象的劇烈爆炸。這類爆炸被稱為「超級超新星」。雖然也被冠以超新星之名,但「超級超新星」爆發的劇烈程度、爆發機制和爆發遺留物,和普通超新星有很大不同。

「超級超新星」和普通超新星一樣,都能夠為后代們提供孕育的土壤。它們同樣會把內核制造的大量重元素擴散到宇宙空間中。以供新一代的恒星、行星乃至我們在這樣的環境里誕生。

一顆質量為太陽300倍的恒星爆發形成的「超級超新星」(想象圖)。NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva / Spaceengine

和很多源自上古的傳說一樣,我們很難在今天的宇宙中找到這些存在于理論上的「第三類恒星」,哪怕是它們留下的一點點蛛絲馬跡。

但是困難并不等于不可能。

近日一些天文學家使用北天雙子座望遠鏡對一個極端遙遠的類星體進行了研究。類星體本質上是一種星系,但其中心存在一個活躍的超大質量黑洞,正把它吞噬物質過程中釋放出來的能量束瞄準地球,因此看起來明亮異常。

這個類星體存在于距今大約131億光年的時空中,也就是說它存在的年代距離宇宙創生不過7億年。通過分析這個類星體傳遞到地球的光的光譜,天文學家發現,在這個類星體的周邊,在它與地球之間的宇宙空間中,存在著一個特殊的星際云團,而這個云團的化學特征很特別。

研究人員發現云中化學元素的鐵鎂比例異常偏高,比太陽高出10倍。據此推斷,這個云團是宇宙中第一代恒星,也就是「第三類恒星」的遺骸。這顆質量是太陽300倍的「第三類恒星」臨終時刻發生了大爆炸,成為了一顆所謂的「對-不穩定性」超新星(pair-instability supernova)。

與聚變停止導致外層塌縮引發反彈爆炸的普通超新星不同,「對-不穩定性」超新星的爆發是恒星內部光子發生衰變導致的。當恒星內部的光子開始衰變成為電子和正電子對后,恒星內部的熱壓力減弱,局部崩潰,隨之整體失去平衡而急速燃燒,引發熱核爆炸。

普通超新星爆發總會留下一個致密的內核,中子星也好,黑洞也好;而這類超新星什麼都不會留下。所有殘骸都被拋向了太空,成為一片擴散的云團。

「第三類恒星」的這種特殊消逝方式意味著我們今天沒有辦法在宇宙中找到這類恒星的內核遺骸。因此驗證這一預言的方法只有兩種:直接觀測「超級超新星」,或在星際介質中尋找「超級超新星」留下的化學特征。而前者基本不可能。

類星體示意圖。NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva / Spaceengine

研究人員相信,他們發現的是迄今為止最明確的與「第三類恒星」及「對-不穩定性」超新星有關的證據。

與直接觀測「第三類恒星」相比,觀測「對-不穩定性」超新星留下的化學特征要容易一些。這些特征可能會在宇宙中保留很長時間,因此也能夠在距離地球較近的太空中被發現。


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