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香港輕新聞特約編輯,軍武 / 科普愛好者
千新星源自兩個密近中子星的合併,由於質量異常集中,其相撞可以引發極為強大的爆炸及重力波反應,同時伴隨大量極高壓裝態下的物質(通常是最外層極端壓縮狀態下的鐵)被拋出。由於大量內核的簡併態中子也會同時釋放,轟擊外核的金屬,加上外殼的急劇擠壓,聚變與R過程(快中子捕獲)同時發生的情況下,會有大量稀有元素給合成出來,貴金屬如金、銀、鑭系元素、錒系元素等等大部分都是由千新星合成而來。(圖片來自維基百科)
自從LIGO重力波探測器2016年升級以來,已探測到超過300個重力波事件,大多是各類大小的黑洞互相合併或中子星和黑洞合併事件,很少數則是中子星合併的千新星事件(嚴格來說只是暫時證實兩個,候選則有四至五個)。
不過今年8月18日一次被稱為S250818k的引力波事件,卻可能和過去的觀測完全不同。這次共動距離13億光年外的引力波事件,最初天文學學家認為可能是一次兩個中子星互撞的中子星事件並引起一定的關注,不過沒多久經由引力波強度和其他伴隨現像的出現,天文學家開始發現不尋常的地方:首先,合併後的新中子星,質量只有0.87天文單位,雖然合併的爆炸會將中子星部分質量轉化成巨大的重力波能量,也有部分質量被拋射出去,但照計算至少一個中子星質量應該少於0.9太陽質量,另一個則最多只在中子星形成下限甚或更低。
1b型超新星的前身通常是沃爾夫.拉葉星,一種氫氦外殼先提早脫離恒星表面的晚期恒星,其質量減少可以達到2-4個太陽質量,而因為質量散失,基於角動量守恒,恒星會進一步加速自轉。由於氣殼質量夠大,所形成的塵埃雲遮光效率相當高,當核心恒星發生超新星爆發,最初階段可能只有紅色光可以透射出來。
其次,重力波事件發生後其他光學天文望遠鏡監測到可能來自中子星合併噴發的紅光,顯示其可能已產生金與鉑等物質(千新星的爆炸可以經快中子捕獲(R過程)產生大量稀有金屬包括金和鉑),但第四天開始則大幅變亮變藍,且發射光譜出現大量氫與氦吸收線,由光度和形式判斷很接近IB型超新星—一種在即將爆炸前會先拋出氫氦外殼的超新星。
科學家認為超新星爆發應該稍早於中子星相撞事件,但因為該區周圍都被濃厚氣體包圍,直至爆炸後第四天衝擊波和近光速的物質衝出氣體雲才讓我們看到超新星爆炸。不過恒星核心只有一個,正常超新星爆炸只能壓縮到一個中子星出來,那第二個(最小那個)中子星又怎樣來?
片段模擬了超新星爆發及千新星發生過程。核心塌縮時發生一些現像,讓核心出現兩顆小型中子星而不是大型,隨後又重新結合並釋於重力波(同時有大量質量裂變成重金屬與稀有金屬原子;由於重力波不受任何物質制約,輕易穿過周圍塵埃雲,重力波到達地球的時間要早於超新星爆發的輝光。
天文學家根據過去模型,提出兩種假設:1. 前身星爆炸時已處於高速旋轉狀態,到中子星形成時因為質量散失,在角動量守衡下轉速會進一步提高到可能達到光速的10%-20%以上,過高轉速導致的離心力可能突破引力,將一部分中子物質拋到附近軌道,形成一顆小中子星,這是小中子星雖然質量不夠,但似乎仍支撐了一段時間且兩者會開始互相旋轉,不過若果距離過近,兩者會很快(幾分鐘到幾小時)又撞在一起,形成千新星現象;2. 另一個可能是超新星爆發時除中心的中子星外,外圍還有一個物質吸積盤在極高熱及高壓下形成另一個小中子星,但亦因距離過近及高速自轉會失去動能,而快速撞向並和核心的中子星合併。
中子星的結構我們現在仍所知極少,現在大概只有幾個模型,中子星可不是一堆超強擠壓在一起的中子,至少表面有一圈處於極高壓狀態的離子態物質,包括前身恒星近核心處的各種元素(這也是千新星發生時大量稀有元素的來源),大概往下到3-4公里深才變成超流體裝態的中子海,但接近最核心處,連中子都支撐不住,不過因為壓力不夠,這裏更多是徹底基本粒子化的夸克-膠子電漿態。(圖片來自維基百科)
是次發現除了有另一個千新星樣本可供研究和理論驗證外,事實上也讓天文學家有更多資料解開一個不大不小的問題:中子星的理論質量下限,即錢德拉卡極限大約為1.44倍太陽質量,考慮誤差後,實際上的下限可能1.2倍就夠,然而,天文學家過去也找到少數低於1.2倍質量的小型中子星,甚至發現過質量只有0.77倍的疑似中子星,且暫未有辦法解釋其形成機理。現在看來,單個恒星超新星爆發,在某些情況下單核心會搞出兩個小中子星,或者誕生後立即發生質量剝離現象,而且其中子簡併態似乎也能維持很長時間;更有甚者,由於高速自轉的超新星前星並不是特別罕見,這種因為中子星分裂再相撞的千新星,有可能比機率極少的兩個一般中子星相撞的千新星更多,這似乎也解釋了稀有貴金屬仍有一定富集,未至於極端罕有吧。
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