超新星SN 1987A(下):30年貢獻

超新星SN 1987A爆發至今已經30多年,這段時間天文學家們持續地向它學習各種天文知識。除了幫助我們修正了恆星演化的模型以外,我們還觀測到了神奇、美麗的環。另外在爆發當時還發射了超級大量的微中子,讓微中子天文學有了更好的發展與成果。最後,依據模型,天文學家們認為SN 1987A爆發後,裡面會有一顆中子星。在努力了30多年的觀測後,最近科學家好不容易從中找到了一些中子星的跡象。

圖片出處 ESO/L. Calçada [1]

撰文|許世穎

●恆星演化

SN 1987A的位置在大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud,簡稱LMC),大麥哲倫星雲是繞行銀河系的衛星星系。它離我們的距離也非常近、與其他的星系相比非常明亮,而且位置接近天球南極、幾乎不會落入地下。因為這些原因,我們可以做出非常仔細的觀測。超新星是恆星演化晚期後的大爆發,會發射大量的能量與物質,亮度也會大幅度的提升、並且維持數個月、甚至數年。對超新星的觀測可以幫助我們大大地理解恆星演化的過程。[2][3][4]

SN 1987A的前身是一顆叫做「Sanduleak -69° 202a」的「藍超巨星」。藍超巨星的大小是太陽的15到50倍,質量是太陽的10到150倍,表面溫度高達上萬度,幾乎是恆星家族當中溫度最高、亮度最亮的。有另外一種超巨星叫做「紅超巨星」,質量只有太陽的10到40倍,表面溫度只有大概4000度,但是大小是太陽的幾百倍,是恆星家族當中最大顆的。在SN 1987A出現以前,天文學家一般認為只有紅超巨星會發生超新星爆炸,而 SN 1987A則讓科學家必須重新思考大質量恆星演化的過程。隨著愈來愈多超新星觀測資料出爐,我們發現其實有為數不少的藍超巨星都能轉為超新星。直至今日,天文學家們仍然對此了解甚少。[2][4][5][6][7]

●週圍的「環」

SN 1987A周遭有一圈環狀分布的物質。據推測,這些物質其實在爆炸之前就存在了。因為它們不會發光,所以本來是無法觀測到的。一直到中央爆炸產生的紫外線打到它之後,才「點亮」了這圈環狀分佈的物質。從爆炸到環狀結構被點亮時間大約是0.66年,換算成距離就是0.66光年。再搭配觀測到的弧度是0.808角秒,可以推知我們與這顆超新星的距離是16,800光年。後來1994年在哈伯望遠鏡所拍攝的可見光圖片中,竟然又出現了另外兩個環(圖1)。有些說法認為這些環狀物質是那顆「Sanduleak -69° 202a」的恆星風所產生的,但是到底為什麼會有這個結構則還無法確定。[2][4]

圖1:SN 1987A的三環結構。中央是超新星爆炸後的遺骸。上下各有一顆亮星與這顆超新星無關,只是剛好也在視線範圍內。圖片來源: George Sonneborn (Goddard Space Flight Center), Jason Pun (NOAO), the STIS Instrument Definition Team, and NASA/ESA [8]

這些環的亮度還會變化。最內圈的環在2001年至2009年之間明顯地變亮了(圖2),原因是爆炸時拋射出來的物質打到了這個環的內層,又再度加熱這個環。能量甚至強大到產生了X光,使得環的X光波段也變亮了將近3倍!不過這個環將會因為衝擊波的破壞力而逐漸消失,2018年的觀測中已經發現衝擊波抵達這個環了,預計會在接下來的10年漸漸轉暗,所以要觀賞研究的話要趁早才好。[2]

圖2:SN 1987A,以及周遭環狀物質的亮度變化。圖片來源:NASA, ESA, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation) and P. Challis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) [9]

●微中子

在發現者伊恩.謝爾頓(Ian Shelton)觀測到爆炸的數小時以前,就已經有微中子抵達了地球。一般認為這是因為在超新星爆炸的時候,微中子會比光更早跑出來。在現代超新星爆炸的模型中,99%的能量都會被微中子帶走。根據估計,當時SN 1987A發射出來的微中子多達1058個!在那段爆發的時間裡面,有大約1030個微中子穿越地球、超過1016個穿越我們的身體![2]

當時有三座天文台觀測到了這一批微中子,微中子不是朝著某個方向拍攝照片就好,而得將訊號數據儲存起來另外分析。爆炸發生一、兩天以後,神岡探測器的團隊收到了超新星爆炸消息(當時還是用傳真,傳真原稿見圖3)。研究人員立刻前往偵測器,將資料儲存的磁盤取下(那時候可還沒辦法網路傳輸這些資料、而是用磁盤紀錄)、著手研究數據。團隊真的發現在某些更早的時間點偵測到了大量的訊號、合理推斷捕捉到了超新星爆炸產生的微中子!幸運的事情是,就在爆發前的幾分鐘神岡探測器曾經停機2分鐘做維護,差一點點就錯過了呢(圖4)![10]

圖3:神岡探測器收到SN 1987A消息的傳真。圖片授權:Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo;圖片來源:[10]
圖4:神岡探測器的資料分析結果。橫軸是時間,縱軸是偵測到的訊號。時間順序是由右到左。大多數時間的訊號是雜訊,不一定是真的有偵測到微中子。可以看到訊號在某個時間突然高出了背景強度非常多,代表那個時候有其他的訊號來源。靠近右邊有個地方沒有黑點,代表在那段時間停止運作。當時偵測器正在保養維護,時間距離非常近,差兩分鐘就錯過了!圖片來源:Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo;[10]

●中子星

「中子星(Neutron Star)」是恆星演化的其中一種最終型態。只有15公里左右大小,質量卻跟太陽差不多,每一平方公分大約有一兆公斤!中子星會發射電磁輻射,如果剛好對著地球打過來的話,我們就能看到這個訊號。但是因為中子星會以非常快的速度自轉,讓這些輻射像燈塔的燈光一樣轉來轉去(類似燈塔一樣,見圖5),造成地球上偵測到的訊號規律性的出現,這種時候又被稱為脈衝星。不過脈衝星不一定是中子星,也可能是白矮星[11][12][13]

依照目前對恆星演化的理解,天文學家們推測SN 1987A爆炸後應該會留下一顆中子星。在自1987年爆發以來長達30年的觀測後,終於在2019年的無線電波圖像當中,觀測到一個質量較為密集的點,成為了首個中子星存在的可能證據。接著又在今年(2021年),藉由X光的觀測,發現脈衝星存在的跡象,這顆很可能就是科學家們找了30年的中子星。雖然目前還沒有確認,但卻是很大的鼓舞[15][16]。

即便過了30多年,SN 1987A還是能持續帶給我們更多的豐富的知識。天文學家也是「靠天吃飯」的人,這次超新星爆炸對天文學家來說是一次大豐收。現在的技術已經能夠很快地找到新的超新星、觀測技術也變得更好。相信下次又有這樣子的機緣的時候,天文學家們能夠挖掘更多的寶藏。

圖5:脈衝星示意圖。圖片來源:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF [14]

參考資料:

  1. [1] The material around SN 1987A (artist’s impression)
  2. [2] wiki / SN 1987A
  3. [3] wiki / Supernova
  4. [4] 余海峯 持續帶來新驚奇的超新星1987A 物理雙月刊 (2017)
  5. [5] wiki / Blue supergiant star
  6. [6] wiki / Red supergiant star
  7. [7] wiki / History of supernova observation
  8. [8] ESA / Supernova 1987a
  9. [9] ESA / Supernova 1987A over time
  10. [10] 30 years after the detection of SN1987A neutrinos
  11. [11] wiki / Neutron star
  12. [12] wiki / Pulsar
  13. [13] Neutron Stars: Definition & Facts
  14. [14] NRAO / Pulsars: The Universe's Gift to Physics
  15. [15] Dany Page et al 2020 ApJ 898 125
  16. [16] Emanuele Greco et al 2021 ApJL 908 L4

 

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