宇宙尘埃的起源之谜:热核爆炸Ia型超新星在星周环境里产生了新尘埃

宇宙尘埃的起源一直是个谜。最近,中国科学院南美天文中心/国家天文台中智天文联合研究中心的王灵芝副研究员与多家国内外科研机构合作,利用空间和数个地基望远镜的数据,对一颗热核爆炸Ia型超新星SN 2018evt开展了长达三年的光学和红外时域监测,探测到了大量尘埃的快速生成过程。

当一颗白矮星吸积伴星气体物质,达到钱德拉塞卡质量极限后,产生热核爆炸Ia型超新星。而那些没有被吸积到白矮星表面的气体形成星周环境。当超新星爆炸后,其抛射物高速向外膨胀,会与星周环境里的气体相互碰撞,形成致密的薄层,或者冷壳层。此壳层将继续减速向外膨胀,壳层里的气体逐渐冷却,凝结成尘埃。

Ia型超新星爆炸产生尘埃的过程一直缺乏直接的观测证据,即同时观测到尘埃的吸收,散射和热辐射特征。此超新星系统完美的呈现了尘埃的这三项特征。由于尘埃的热辐射,它的中红外流量突然变亮;由于尘埃的吸收,它的光学流量变得更暗;由于尘埃的散射,它的颜色变蓝。此外,研究人员还发现,由于尘埃的吸收,相互作用区辐射出的Hα谱线出现红蓝强度比不对称,同时谱线中心向蓝端移动。

图1: 超新星SN 2018evt的爆炸抛射物和星周物质相互作用不同阶段的演化示意图,310天之前的演化为子图a, b和310天之后的演化为子图c。右上:SN 2018evt在冷壳层里产生新尘埃的艺术图。

这项研究首次在Ia型超新星与星周气体相互作用区的冷壳层里,直接探测到大量温尘埃的快速生成过程。在爆炸后约1,000天,相互作用区域内的冷壳层里产生了至少0.01个太阳质量的尘埃。研究还表明,Ia型超新星可能是椭圆星系中尘埃的重要来源。这一发现挑战了之前只有核塌缩超新星能产生大量宇宙尘埃的传统观点。随着时间推移,这个系统将会产生更多甚至十倍的宇宙尘埃。尘埃的形成其实是气体冷却到足以凝结的过程。有一天,这些尘埃将凝结成原行星,最终形成行星。这是在恒星死亡之后新的开始。这项研究开启了宇宙中生命与死亡循环另一个环节的研究。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的运行,它将会探测更多此类事件。

图2:SN 2018evt新生成尘埃的温度(子图)和质量演化图。数据点表示SN 2018evt和核塌缩超新星爆炸产生的尘埃演化。实线表示对超新星SN 2018evt新尘埃组分假定为0.3微米石墨的时间幂律谱演化。

这一研究成果已于2月9日发表于《自然·天文学》杂志 (Nature Astronomy),题为“热核爆炸Ia型超新星在星周环境里产生了新尘埃(Newly formed dust within the circumstellar environment of SNIa-CSM 2018evt)”。

王灵芝副研究员是该论文的第一作者和通讯作者。中科院紫金山天文台博士后胡茂凯和德州农工大学的王力帆教授为共同第一作者。此项研究还包括来自拉斯坎布雷斯天文台全球超新星项目、欧洲南方天文台公共瞬变天体光谱巡天观测,智利千禧天体物理研究所,卡内基超新星项目,清华大学、云南天文台等多家机构的天文学家。论文地址:https://www.nature.com/articles/s41550-024-02197-9

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