早期宇宙有上百倍太阳质量的恒星相当普遍,它们可能与现今恒星的形成途径不同,甚至可能死亡途径也不同。超新星爆炸后,原来恒星的核心可能会遗留形成中子星或黑洞等致密天体,爆炸时向外抛出的物质则形成超新星残骸,成为新一代恒星的制作材料。
理论上,还有一种结局是整个星体都摧毁,没有残留任何东西。前两者已有实证,最后一种却一直没发现,现在终于有实槌了。哈佛史密松恩天文物理中心(Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian)Sebastian Gomez与团队发现,SN 2016iet就是第一例炸到啥都不剩的超新星爆炸,并认为它是第一个确认为所谓“不稳定对超新星”(pair instability supernova)案例。
当一颗恒星的质量是太阳数十倍,理论上当它生命终结,发生超新星爆炸时,核心会加热到能形成“电子”(electron,或称负电子)和反物质“正电子”(positron,或称正子)的程度。不像中子星的中子,当正负电子对相遇时会互灭,不再能支撑核心抵抗重力,使恒星持续塌缩,却又在收缩成通用点形成黑洞之前,骤然点燃热核反应,但这热核反应最后失去控制,导致整个恒星爆炸,这就是所谓的“不稳定对超新星”。
这种超新星一直只是理论。天文学家之前曾观测到几名“候选者”,如2007bi和ASASSN-151h,但天文学家无法收集到足够的恒星爆炸前质量和其他性质消息,无法实证。
SN 2016iet不一样。天文学家用自动搜索系统从盖亚图片发现这颗超新星,卡塔利纳即时瞬变事件巡天(Catalina Real-Time Transient Survey)和泛星瞬变事件巡天(Pan-STARRS Survey for Transients)也分别在2017年1月和3月拍到这颗超新星。这些观测证明,超新星爆炸后没有遗留任何残骸。这些观测也显示爆炸恒星隶属一个矮星系,但是没有伴星的单星,离宿主星系约54,000光年远,比银河系边缘到银河系中心的距离还远。之后数年,天文学家利用智利的麦哲伦巴德6.5米望远镜(Magellan Baade Telescope)和其他地面望远镜,关注观测SN 2016iet的光谱,观察它的变化。
2014年9月和2018年7月观测的SN 2016iet超新星及所在宿主星系的图片。2014年图片可见圈起位置尚未出现星体迹象。右图为麦哲伦望远镜拍摄的图片。
初始光谱观测显示没有氢气,所以天文学家归类为I型超新星。他们也测量了距离,显示它的光走了将近10亿光年才抵达地球。但这天体的性质并不符合任何其他归属特性,事实上,它和目前任何已知的超新星都没有相似之处。天文学家首先怀疑是不是自己搞错了。
后来他们利用数座地面望远镜拍摄图片,关注超新星亮度逐渐变暗的状况。光变曲线可用来测试各种解释爆炸理论的正确性。研究结果认为这个天体爆炸前约55~120倍太阳质量,甚至可能达200倍太阳质量。虽然在它短短数十载的生命里可能已丧失部分外层大气物质,但将物质抛向太空的速率高达每年3倍太阳质量。
更甚者,爆炸的恒星周边环境比氢和氦重的重元素非常稀少,换言之,它的金属丰度很低,意味着这颗星出生和死亡都是在一个自大爆炸后改变不多、仍保持非常原始状态的区域。如此一来,无论它的质量还是所处环境,SN 2016iet都非常类似宇宙第一代恒星,而这正是不稳定对超新星的最佳候选者。
但与其他第一代恒星不同的是:天文学家还有机会测量它爆炸前的恒星质量和金属丰度,并由此审查是否与理论预期相符。关于不稳定对超新星的概念已提出数十年,但SN 2016iet是第一个提供观测证据的天体,使天文学家在这研究领域前进了一大步,让Gomez与团队兴奋不已。