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开普勒为超新星狩猎提供了一种新技术

发布于:2018-05-14   

天文学家Ed Shaya在他的办公室里查看了2012年美国宇航局开普勒太空望远镜的数据,当时他发现了一些不寻常的东西:银河系的光芒迅速增加了10%。光芒中的突然激动让Shaya立即兴奋起来,但也很紧张。这个效应可以用一颗恒星的巨大爆炸来解释 - 一颗超新星! - 或者更麻烦的是,一个计算机错误。

“我只记得那一天,不知道我是否应该相信,”他回忆道。他没有庆祝,而是想:“我犯了错吗?我做错了什么?“


em这个动画展示了一种叫做快速发展的夜光暂态的恒星爆炸。在这种情况下,一颗巨星在爆炸前大约一年时间内“燃烧”了一层瓦斯和灰尘。来自超新星的大部分能量在撞击此前喷射出的物质时变成光,导致短暂但突然的辐射。学分:NASA / JPL-Caltech / em

恒星爆炸锻造和分配构成我们生活的世界的材料,并掌握宇宙膨胀速度的线索。通过了解超新星,科学家们可以解开关于我们所构成的关键以及我们宇宙的命运的奥秘。但为了获得全貌,科学家们必须从各种角度观察超新星,特别是在爆炸的第一时刻。这真的很困难 - 没有人知道下一个超新星何时会发生。

一小群天文学家,包括沙雅,意识到开普勒可以提供一种新的超新星狩猎技术。开普勒于2009年推出,以发现数千颗系外行星而闻名。但作为一个望远镜,长时间盯着一块空间,它可以捕捉到大量的其他宇宙宝藏 - 尤其是像超新星那样迅速变化或出入的宇宙宝库。

开普勒的项目科学家Jessie Dotson说:“开普勒开创了一种观察天空的新方式,他是美国国家航空航天局加州硅谷艾姆斯研究中心的一名研究员。 “它旨在做一件非常好的事情,那就是寻找其他恒星周围的行星。为了做到这一点,它必须提供高精度,连续的数据,这对于其他天文学领域而言非常有价值。“

最初,Shaya和他的同事们在他们的开普勒数据中寻找活动的星系核。活跃的银河核心是星系中心的一个非常明亮的区域,那里有一个贪婪的黑洞被热气体盘围绕着。他们曾想过寻找超新星,但由于超新星是非常罕见的事件,所以他们没有在他们的建议中提及它。 “太过分了,”沙雅说。

不确定他发现的超新星信号是否真实,Shaya和他的马里兰大学同事Robert Olling花费了数月的时间开发软件,以更好地校准Kepler数据,同时考虑到温度和仪器指向的变化。尽管如此,超新星信号仍然存在。实际上,他们在400多个星系的开普勒样本中发现了另外5颗超新星。当Olling向Armin Rest展示了其中一个信号时,他现在是Baltlimore太空望远镜科学研究所的天文学家,Rest的下巴下降了。 “我开始流口水,”他说。这扇门开启了追踪和理解恒星爆炸的新方式。

今天,这些天文学家是开普勒超额银河勘测的一部分,该勘探是美国,澳大利亚和智利七个科学家合作寻找超新星和活动星系核以探索我们宇宙的物理学。迄今为止,他们已经利用开普勒航天器的数据发现了20多颗超新星,其中包括一项由休斯在自然天文学新研究中报道的奇特类型。

“我们有一些最了解的超新星,”布拉德塔克说,天文学家在Mt.澳大利亚国立大学Stromlo天文台是开普勒超级银河系调查的一部分。


em这部动画展示了一颗白矮星的爆炸,一颗极其密集的恒星残余物,其核心无法燃烧核燃料。在这种“Ia型”超新星中,白矮星的重力从附近的恒星伙伴手中夺走了物质。当白矮星达到目前太阳质量的1.4倍时,它不能再维持自身的重量,并且爆炸。学分:NASA / JPL-Caltech / em

我们为什么关心超新星?

天体物理学中长期存在的一个谜团是星星如何以及为何以不同的方式爆炸。当一颗致密的死恒星称为白矮星爆炸时,就会发生一种超新星爆发。第二种情况发生在一颗巨大的恒星接近其生命的尽头时,它的核心再也无法承受作用在它上面的重力。这些一般类别的细节仍在制定中。

第一种称为“Ia型”(发音为“一个”)是特殊的,因为每个这些超新星的固有亮度几乎相同。天文学家已经使用这个标准属性来测量宇宙的膨胀,发现更遥远的超新星比预期的要亮。这表明它们远比科学家想象的要远,因为光线已经在扩大的空间中伸展开来。这证明宇宙正在加速扩张,并在2011年为这些研究人员赢得了诺贝尔奖。主要理论是,一种叫做“黑暗能量”的神秘力量正在推动宇宙中的一切事物与其他事物相比更加快速和更快。

但是,随着天文学家发现越来越多的类型Ia爆炸的例子,包括开普勒,他们意识到并非所有的都是平等的。虽然这些超新星中的一些发生在一个白矮星抢夺太多物质的同伴时,另一些则是两颗白矮星合并的结果。事实上,白矮星合并可能更常见。开普勒的更多超新星研究将帮助天文学家研究是否有不同的Ia型机制导致一些超新星比其他超新星更亮 - 这会引发一场关于它们如何用于测量宇宙膨胀的扳手。

“为了更好地理解约束暗能量,我们必须更好地理解这些Ia型超新星是如何形成的,”Rest说。


em这个动画展示了两个白矮星的合并。一颗白矮星是一颗极其密集的恒星残余物,其核心无法再燃烧核燃料。这是另一种发生“Ia型”超新星的方式。学分:NASA / JPL-Caltech / em

另一种超新星,即“核心崩塌”变种,发生在一颗巨星在爆炸中结束生命时。这包括“II型”超新星。这些超新星具有特征性的冲击波,称为“冲击突破”,这是由开普勒首次在光学光线下捕获的。由印第安纳州圣母大学天体物理学教授团队成员Peter Garnavich领导的开普勒超级银河勘测小组发现了2011年开普勒数据,该数据来源于一颗名为KSN 2011d的超新星,这颗恒星从一颗恒星发生大约500次爆炸太阳的大小。令人惊讶的是,该团队没有发现一颗名为KSN 2011a的小型II型超新星的突然爆发事件,该颗粒的恒星尺寸是太阳的300倍 - 但是却发现超新星位于一层灰尘中,表明其类型多样II恒星爆炸。

开普勒的数据揭示了有关超新星的其他奥秘。由Rest in Nature Astronomy领导的这项新研究描述了由开普勒的扩展任务K2获取的数据所产生的超新星,该超新星在两天内达到峰值亮度,比其他人少了约10倍。这是“快速发展的发光瞬态”(FELT)超新星最知名的例子。 FELT几乎与Ia型变化一样明亮,但在不到10天的时间内就会增加,并在30天左右褪色。在爆炸发生前一年,这颗恒星可能会发出致密的气体,当超新星爆发时,弹出的物质撞击壳体。在碰撞中释放的能量将解释快速增亮。

为什么开普勒?

地球上的望远镜提供了大量有关爆炸恒星的信息,但只是在很短的时间内 - 只有当太阳下山和天空清晰时 - 因此很难记录这些爆炸的“之前”和“之后”效应。另一方面,开普勒为天文学家提供了难得的机会,连续数月监测单个天空的斑块,就像汽车的仪表板相机一直在记录。事实上,2009年至2013年开展的主要开普勒任务对相同视场进行了四年观测,每隔30分钟拍摄一张照片。在扩展的K2任务中,望远镜的目光稳定持续约三个月。


em这个动画展示了一颗在“核心坍塌”超新星爆炸的巨大恒星。当分子在恒星内部融合时,恒星最终无法支撑自己的体重。重力使星星本身崩溃。根据化学元素的不同,核心塌缩超新星被称为Ib,Ic或II型。学分:NASA / JPL-Caltech / em

借助地面望远镜,天文学家可以告诉超新星的颜色以及它如何随时间变化,这可以让他们弄清楚爆炸中存在哪些化学物质。超新星的组成有助于确定爆炸星型的类型。另一方面,开普勒揭示了恒星爆炸的原因和原因,以及爆炸过程的细节。使用这两个数据集,天文学家可以获得比以前更丰富的超新星行为图片。

开普勒的任务规划人员在2013年四轮反应轮中的第二个故障后恢复了望远镜 - 这些装置有助于控制航天器的方向。在称为K2的配置中,它需要每三个月旋转一次 - 标志着观测“活动”。开普勒额外银河勘测的成员提出,在K2任务中,开普勒仍然可以监测超新星和其他异国情调,遥远的天体物理对象,除了系外行星。

这种可能性非常激动人心,开普勒团队设计了两次K2观测活动,特别适用于协调用地面望远镜进行超新星研究。运动16于2017年12月7日开始,到2018年2月25日结束,包括9000个星系。 Campaign 17中有大约14,000个,现在才刚刚开始。在两次战役中,开普勒都面向地球方向,以便地面观察员可以看到与太空船相同的天空。这些运动激发了一个研究人员社区,他们可以利用开普勒和望远镜之间罕见的协调。

最近一次可能的发现让天文学家在今年的星期天在超级碗上激烈咆哮,即使他们没有参加比赛。在这个“超级”的日子里,全天空超新星自动测量(ASASN)在开普勒监测的同一附近星系报道了一颗超新星。这只是众多候选项目之一,科学家们很兴奋跟进并可能用它来更好地理解宇宙的秘密。

还有更多的超新星可能来自美国宇航局的外星人探测卫星(TESS),预计将于4月16日发射。与此同时,一旦科学家从K2的超新星聚焦获得全部数据集,他们将面临更多的工作活动。

“这将是未来几年超新星信息的宝库,”塔克说。

埃姆斯管理美国宇航局科学任务局的开普勒和K2任务。美国国家航空航天局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室管理开普勒任务的开发。 Ball Aerospace&Technologies公司在博尔德科罗拉多大学的大气与空间物理实验室的支持下运行飞行系统。

来源:喷气推进实验室的Calla Cofield

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