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首次拍摄到超新星爆发前后,是科学理论的完美验证,还是被颠覆?

原创
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科学界过去已经拍摄到了许多超新星爆发的照片,但都是在爆发后才发现的。最近,一些科学家首次拍摄到了一颗超红巨星最后的时刻,目睹了这颗超级巨星的自毁过程。

这个发现刊登在最近出版的《天体物理学期刊》上,论文介绍,在这颗名为SN 2020tlf的超红巨星爆发前,科学家们持续观测了130天。这是一颗位于NGC 5731星系内的恒星,质量约太阳的10倍,距离我们约1.2亿光年。

科学家们目睹了这颗恒星在最后的坍缩前就猛烈喷发,最终爆发成一颗II型超新星。超新星爆发后,天文学家对它进行了持续的监视。报道出来后,引起了社会广泛热议。有人(包括我)认为这次发现,完美地验证了恒星理论;但也有人认为颠覆了过去的理论。

如我看到有一篇自媒体文章,打出了这样的标题:“人类第一次亲眼看到,恒星死亡全过程,发现之前的科学理论全错了”。我认为这种说法是错误的,会误导读者,因此向平台建议纠正,不料平台给出的答复是没有发现内容违规,令人不解。

科普是严谨的,是不能糊弄人的。为了以正视听,这里就特发一篇文纠正这个说法。

红超巨星会悄无声息地死亡吗?这位作者之所以说理论全错,似乎依据是说过去理论认为,超红巨星死亡是悄无声息的,我实在不知道这位作者在哪里看到这种“理论”。正确的天文物理学理论是:红超巨星是大质量恒星演化末期的濒死状态,其结局就是超新星爆发,爆发后会留下一颗中子星或黑洞。

比较典型的超红巨星有不少,其中比较典型的是猎户座的参宿四,这是一颗约太阳质量11.6倍的恒星,现在已经演化到了最后的红超巨星阶段,半径达到了太阳的近千倍,如果参宿四在太阳位置,其边缘部分就将近在木星位置,水星、金星、地球、火星都将被吞噬掉,木星也会被气化。

科学家们对这颗星的死亡时间推测有些不一,有的认为在千年内就会发生超新星爆发,爆发后会留下一颗中子星。参宿四实际上就是和SN 2020tlf质量和性质相近的一颗超红巨星,最终的结局都是通过II型超新星爆发,留下核心一颗中子星。

这次科学观测到SN 2020tlf爆发,整体上是符合理论预测的,只是一定程度上充实了以前对红超巨星爆发前状态的推测。所谓爆发前推测,是因为过去从来也没有看到过从爆发前一直到爆发的过程,以为II型超新星爆发是突然爆发,没有预兆,因此认为爆发前比较平静。

其实恒星演化到这个时刻,猛烈爆发前是不可能没有预兆的,内部热核反应失控的过程会导致光辐射猛烈增加,内部结构急剧变化而猛烈喷发气体,这些都是符合逻辑的,而这次观测结果只是证实了这一点而已。

但不管如何说,超红巨星最终死亡都不可能是悄无声息的,而是轰轰烈烈的爆发,虽然细节上有新的发现,但总体上说,是完美验证了恒星演化理论。因此,所谓“过去的科学理论全错了”的说法,实在是自己错得太离谱了。

恒星的尸骸有四种,个个死法不同死得最悄无声息的是红矮星。

由于其质量较小,核心压力较小温度较低,核聚变比较平和,当核心的氢烧完后,核聚变就会停止,温度压力无法点燃后续的核聚变,星体慢慢冷却成为一颗黑矮星。

不过正是由于红矮星质量小,核聚变反应慢,燃料消耗小的缘故,其寿命超长,一般都在数千亿年甚至数万亿年。迄今为止,宇宙寿命还只有138亿年,因此所有的红矮星还都处于青少年时期,没有一颗红矮星死亡变成黑矮星。

其次,死得比较低调的是我们太阳质量左右的这种恒星。

太阳质量0.8倍到8倍之间的恒星,核心部分的氢燃料烧完后,核聚变暂时停止,星体坍缩的重力收缩压会大大提升核心温度和压力,导致氦以后元素的核聚变,一直到碳元素结束。

这个过程,由于引力和氦闪等一系列内部变化,会导致恒星外壳膨胀,这样就变成一颗红巨星,半径将达到过去的200倍左右。而且随着膨胀的加大,外围气体物质会渐渐飘散到太空,最终在核心部分留下一个致密的碳核,体积只有地球大小,质量却有太阳的0.5~1.4倍,这就是白矮星。

很显然,我前面说的那个认为“过去的科学理论全错了”的说法,是把SN 2020tlf这样的超红巨星,当成了太阳类恒星演化后期的红巨星,才会出现这种全盘否定科学理论的错误说法。

太阳质量8倍以上的恒星会死得轰轰烈烈,且有两种尸骸。

这类大质量恒星核心氢元素消耗殆尽后,星体坍缩的压力和温度会导致一系列更重元素的核聚变,一直到铁元素结束,核心会留下一个致密的铁核。当核心的铁核质量达到太阳的1.44倍时,所有核聚变停止,剧烈坍缩形成的高温高压会导致恒星内部热核失控,发生超新星大爆炸。

在大爆炸之前,这种大质量恒星会膨胀成一颗超红巨星或超蓝巨星。注意,这里的超红巨星,应该与太阳演化后期膨胀成的红巨星区别,红巨星膨胀尺度只有太阳半径的200~300倍,而超红巨星可以膨胀到太阳半径的1000倍,甚至更大。

科学家观测到爆炸的SN 2020tlf,就是一颗超红巨星,而不是红巨星。

大质量恒星发生超新星大爆炸后,尸骸有两种。

第一种是约太阳质量9倍到30倍以下的恒星,爆炸后会留下一颗约太阳质量1.44倍到3倍左右的中子星;第二种是太阳质量30倍到40倍以上的恒星,爆炸后直接会留下一个太阳质量3倍以上的黑洞。

这就是恒星演化的大致结局。所谓“大致”,就是大的方面是这样的,不同的恒星在一些细节上会有区别,形成各种尸骸的恒星质量界限也不是那么绝对。我们不是搞科学研究,只是一般常识科普,就没有必要弄得那么吹毛求疵和杠精了。

天文物理学和标准宇宙模型一直都在发展中,会随着观测发现和深化研究不断完善和修正。迄今为止,天文发现与理论模型的预测越来越契合。你怎么看?谢谢阅读,欢迎讨论。

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