一颗爆炸恒星的冲击波中的原子有多热?

一颗爆炸恒星的冲击波中的原子有多热?

对附近超新星SN1987A的新研究回答了长期以来的争论

一种测量恒星爆炸死亡过程中原子温度的新方法将帮助科学家们理解超新星爆炸产生的冲击波。一个国际研究小组的研究,包括宾夕法尼亚州立大学的科学家,结合观察附近的超新星遗迹——恒星爆炸后剩下的结构与模拟为了测量温度缓慢的恒星周围的气体原子的被加热的材料向外推动的。

研究小组利用NASA的钱德拉x射线天文台分析了附近超新星遗迹SN1987A的长期观测结果，并建立了一个描述超新星的模型。研究小组证实，即使是最重原子的温度——目前尚未被研究——也与它们的原子量有关，这回答了一个长期存在的关于冲击波的问题，并提供了有关其物理过程的重要信息。一篇描述这一结果的论文发表在2019年1月21日的《自然天文学》杂志上。

“超新星爆炸及其残骸为我们提供了宇宙实验室，使我们能够在地球上无法复制的极端条件下探索物理学，”宾夕法尼亚州立大学(Penn State)天文学和天体物理学教授、论文作者之一戴维·布伦斯(David Burrows)说。“现代天文望远镜和仪器，无论是地面的还是太空的，都使我们能够对银河系和附近星系的超新星残骸进行详细的研究。我们使用NASA的钱德拉x射线天文台对超新星遗迹SN1987A进行了常规观测，钱德拉x射线天文台是世界上最好的x射线望远镜，自1999年钱德拉望远镜发射后不久，我们使用模拟来回答关于冲击波的长期问题。

像SN1987A这样的大质量恒星的爆炸死亡将物质以高达光速十分之一的速度向外推进，将冲击波推入周围的星际气体。研究人员特别感兴趣的是激波前沿，即超音速爆炸与环绕恒星的相对缓慢移动的气体之间的突变。激波前缘将这种缓慢移动的低温气体加热到数百万度——这一温度足以让这种气体发出从地球上可以探测到的x射线。

Burrows说:“这种转变类似于在厨房水槽中观察到的，当一股高速水流撞击洗涤槽时，向外平滑地流动，直到它突然升高，变成湍流。”“在地球大气中，激波锋被广泛研究，它们发生在一个非常狭窄的区域。但在空间中，激波的转变是渐进的，可能不会以同样的方式影响所有元素的原子。

由意大利巴勒莫大学的Marco Miceli和Salvatore Orlando领导的研究小组，测量了激波前沿后不同元素的温度，这将提高对激波过程物理学的理解。这些温度预计与元素的原子量成正比，但很难精确测量。先前的研究导致了关于这种关系的相互矛盾的结果，并且没有包括具有高原子量的重元素。研究小组求助于超新星SN1987A来解决这个难题。

超新星SN1987A位于附近的大麦哲伦星云，是自1604年开普勒超新星发现以来第一颗肉眼可见的超新星。它也是第一个用现代天文仪器详细研究的天体。1987年2月23日，它爆炸发出的光第一次到达地球，从那时起，人们观测到了各种波长的光，从无线电波到x射线和伽玛波。研究小组利用这些观测结果建立了一个描述超新星的模型。

SN1987A的模型通常只关注单一的观测结果，但在这项研究中，研究人员使用了三维数值模拟，将超新星从其形成到现在的演化过程纳入其中。通过x射线观测结果与模型的比较，研究人员能够准确测量不同元素的原子量范围内的原子温度，并确认预测星际气体中每种原子达到的温度的关系。

布伦斯说:“我们现在可以准确地测量硅和铁等重元素的温度，而且已经证明，它们确实遵循这样的关系，即每个元素的温度与该元素的原子量成正比。”“这个结果解决了理解天体物理冲击波的一个重要问题，并提高了我们对冲击波过程的理解。”