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新星新理論

2017/10/17 — 16:19

新星(中心紅色)與外向流(黃色)。
Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

新星(中心紅色)與外向流(黃色)。
Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

在沒有雲的晚上,抬頭望向夜空,可以看見數不清的星星。夜闌人靜時,又有否想過星空是否永恆不變?

除了一年四季周期改變外,星空的確不是永恆不變的。恆星亦會誕生、會移動、會轉變、會死亡,如果用天文望遠鏡長時間細心觀察,人類在短暫的一生中還是可以看出些端倪。

恆星以組成自身的原子為燃料,靠著把原子熔合在一起而產生能源,這個過程叫做核聚變。可想而知,核反應的燃料總會有用盡的一刻。核燃料用盡後,依據恆星的質量,其死亡方式會有所不同。

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如果恆星不太重,死亡後就會變成白矮星。白矮星是密度高的天體,雖然其質量與太陽相當,但大小卻只有地球尺寸。雖然白矮星中心的核反應已經停止,但因為其密度高,表面重力非常強,當有物質被吸積到其表面,就有可能在表面發生核聚變反應。

由於核聚變直接在白矮星的表面釋放能量,白矮星看起來就會突然變得非常光,有時候在地球上也能以肉眼看見。這種天文現象,我們稱之為新星(nova)。

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從前,天體物理學家認為新星釋放的光的能量主要來自白矮星表面。然而,來自香港、現於美國密西根州立大學進行研究的李君樂博士和他的研究團隊最近在《自然天文 (Nature Astronomy) 》期刊發表的論文,提供了一個更可靠的理論。

李君樂博士使用 Fermi/LAT 觀察的新星 ASASSN-16ma 。
Credit: Li, K.L., et al. (2017).

李君樂博士使用 Fermi/LAT 觀察的新星 ASASSN-16ma 。
Credit: Li, K.L., et al. (2017).

他們利用費米伽瑪射線太空望遠鏡大面積望遠鏡 (Fermi Gamma-ray Space Telescope/Large Area Telescope, Fermi/LAT) 和全天超新星自動搜索 (All Sky Automated Survey for SuperNovae, ASAS-SN) ,分別以伽瑪射線和可見光波段觀察了位於銀河系內的一顆稱為 ASASSN-16ma 的新星。他們發現,這顆新星的可見光亮度變化竟然與伽瑪射線的亮度變化一致。這表示兩者極可能來自同一物理過程。

這就造成了一個難題。根據理論計算,白矮星表面的核反應根本不足以提供能源給如此猛烈的伽瑪射線和可見光。另一方面, ASASSN-16ma 釋放出的可見光亦達到了所謂的超愛丁頓亮度 (super-Eddington) ,即超過了向外的壓力和向內的重力能保持平衡的極限。因此,這顆新星的電磁輻射極不可能來自白矮星表面。

李博士認為,他們觀察到的 ASASSN-16ma 的輻射實際上來自於向外噴出的物質外向流 (outflow) 裡產生的衝擊波 (shock) 。新星會突然改變外向流速度,比較快的外向流會追上較慢的外向流,碰撞並產生衝擊波。他們以外向流中的 Hα 發射線的寬度計算出其速度,發現較慢的速度約少於秒速 1,100 公里,較快的速度約少於秒速 2,200 公里。

李博士的團隊更進行電腦模擬,發現衝擊波釋放能量的應為強子 (hadron) 而非輕子 (lepton) 。強子是由夸克組成的粒子,參與強核力,而輕子則是不參與強核力的粒子,例如電子。儘管兩個理論都能解釋測量到的光譜,但輕子理論要求外向流是高度磁化的,可是輕子理論同時預言物質中的磁場是非常微弱的,因此輕子理論就有個矛盾。所以他們認為強子理論比較能合理解釋觀察結果。

這項研究不單提出了一個新的新星輻射模型,解決了新星的超愛丁頓亮度問題,更為新星外向流裡的輻射機制提供了線索。當我們未來探測到越來越多新星,就能為這理論提供更多證據。

報告:
Li, K.L., Metzger, B.D., Chomiuk, L. & et al. (2017). A nova outburst powered by shocks. Nature Astronomy 1, 697–702 (2017). doi:10.1038/s41550-017-0222-1

延伸閱讀:
密西根州立大學寫的介紹文章

【文/余海峯博士;審核/李君樂博士】

原刊於作者博客作者 Facebook 專頁

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