SN2018zd:第一颗确认的新型超新星——电子捕获超新星

超新星是一种比新星爆炸还要猛烈的星球大爆炸,一般都会出现在大质量的恒星或者是白矮星上,总的来说,超新星分为两种类型,一种是热核超新星:一般是双星系统中的白矮星(白矮星是由小于8倍太阳质量的恒星爆发留下的核心残骸)在获得伴星的物质后,当白矮星质量达到其质量上限的时候,就会发生热核超新星爆发;另外一种是核心坍缩型超新星,其主体是一颗大质量恒星(一般质量达到太阳质量的10倍以上),这样的大质量恒星在其生命末期,因为核燃料耗尽,核心就会发生坍缩,从而形成中子星或者是黑洞,引发超新星爆发。

SN2018zd:第一颗确认的新型超新星——电子捕获超新星

但是在40年前,其实科学家还推测出一种理论上的超新星类型,这就是电子俘获超新星。一般来说,电子俘获超新星的原始恒星质量大约相当于8~9倍太阳质量,由此可见,要想形成电子俘获超新星,对原始恒星具有比较苛刻的质量要求。

那么这种电子俘获超新星具有哪些特征呢?让它们能够和其他两类超新星爆发区分开来。

一颗正常生命周期中的恒星上具有两个对立的力量,分别是引力和核聚变产生的辐射压力。正是因为这两种力量的平衡,才导致恒星不至于被引力所压垮坍缩。

但是当恒星进入到它的生命末期的时候,核心的核聚变就会变弱乃至于是停止,这个时候引力就会大于辐射压力,从而导致恒星核心发生坍缩,像太阳大小的就会形成白矮星,同时还会抛掉外层物质,形成超新星爆炸。白矮星的物质非常致密,以至于电子之间的量子力可以阻止白矮星进一步坍缩,从而达成新的平衡,维持白矮星的稳定存在。

而对于质量大约10倍太阳质量的恒星来说,它们的质量更大,其核心核聚变能够一直产生到铁元素出现,当发生超新星爆发的时候,其内部的电子量子力并不足以抵挡引力,所以核心会继续坍缩,直到变成中子星或者是黑洞。

能够发生电子俘获超新星爆炸的恒星质量介于8~9个太阳质量,这意味着其还不足以形成中子星和黑洞,其核心形成的元素只能是氧元素、镁元素之类的元素,无法合成铁元素,更加不会形成一些具有发射性的重元素。当电子俘获超新星形成的时候,有一些电子会被砸进原子核中,所以电子俘获超新星会形成富含中子的同位素,也正是因为这种电子俘获的特征,所以这类超新星就被命名为电子俘获超新星。

哈勃太空望远镜彩色合成电子捕获超新星 2018zd 和宿主星暴星系 NGC 2146。图片来源:NASA/STScI/J
哈勃太空望远镜彩色合成电子捕获超新星 2018zd 和宿主星暴星系 NGC 2146。图片来源:NASA/STScI/J

科学家总结了电子俘获超新星的六个指标,分别是:质量为8~9个太阳质量的恒星、剧烈的核聚变导致恒星质量的损失比、核聚变产生的不寻常的特定元素、爆炸的时候比较弱、放射性重元素比较少、富含中子的同位素。

虽然之前科学家也观测到了一些疑似电子俘获超新星,但是这些疑似案例中总会有一些指标不符合电子俘获超新星的要求。不过现在科学家在3100万光年外的NGC 2146中发现了一颗被命名为SN2018zd超新星,它完全符合电子俘获超新星的六项指标,属于第一颗被确认的电子俘获超新星。

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