錢德拉揭示了仙后座的自然本質(zhì)

編譯/于巧峰

大部分地球生命所必需的元素來自哪里？答案是來自恒星的大火爐以及一些標(biāo)志著恒星生命結(jié)束的大爆炸。因此，長期以來天文學(xué)家一直在研究爆炸的恒星及其遺跡（被稱為“超新星遺跡”），以便更好地理解恒星是如何產(chǎn)生并傳播在宇宙中探測(cè)到的眾多元素的。

由于其獨(dú)特的進(jìn)化地位，仙后座A是科學(xué)界最為深入研究過的超新星遺跡之一。美國航空航天局錢德拉X射線天文臺(tái)的一幅新圖像顯示了其爆炸遺跡中不同元素的分布：硅（紅色）、硫（黃色）、鈣（綠色）和鐵（紫色）。這些元素中的每一種都在狹窄的能量范圍內(nèi)產(chǎn)生X射線，使得天文學(xué)家可以創(chuàng)建其分布圖，而爆炸的爆炸波看上去是藍(lán)色的外環(huán)。

“錢德拉”等X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)于研究超新星遺跡及其產(chǎn)生的元素十分重要，因?yàn)檫@些活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生極高的溫度——高至數(shù)百萬攝氏度，甚至在爆炸后數(shù)千年仍是如此。這意味著包括仙后座A在內(nèi)的許多超新星遺跡在其他類型的望遠(yuǎn)鏡無法探測(cè)到的X射線波段上發(fā)光最為強(qiáng)烈。

錢德拉項(xiàng)目銳利的X射線視力使得天文學(xué)家可以收集有關(guān)像仙后座A那樣的天體產(chǎn)生的元素的詳細(xì)信息。這一項(xiàng)目由位于亞拉巴馬州亨茨維爾的美國航空航天局馬歇爾太空飛行中心負(fù)責(zé)管理，由位于馬薩諸塞州劍橋的史密森天體物理觀測(cè)站控制其科學(xué)研究活動(dòng)和飛行操作。通過這一項(xiàng)目，科學(xué)家不僅能夠識(shí)別存在的許多元素，還能識(shí)別出每種元素中有多少被傳播到了星際空間中。

“錢德拉”的數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)生仙后座A的超新星爆發(fā)出大量的關(guān)鍵宇宙成分。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，仙后座A已經(jīng)散播了大約10 000個(gè)地球質(zhì)量的硫、大約20 000個(gè)地球質(zhì)量的硅以及大約70 000個(gè)地球質(zhì)量的鐵。此外，還有高達(dá)100萬個(gè)地球質(zhì)量的氧氣從仙后座A擴(kuò)散入太空，約相當(dāng)于太陽質(zhì)量的3倍。（即使氧是仙后座A中最豐富的元素，但與圖中所示的其他元素不同，它的X射線分布在很寬的能量范圍內(nèi)，無法在這個(gè)圖像中單獨(dú)顯現(xiàn)出來。）

除了這張新的“錢德拉”圖像中顯示出的元素之外，天文學(xué)家還在仙后座A中發(fā)現(xiàn)了其他元素。通過使用各種望遠(yuǎn)鏡觀察電磁波譜的不同部分，碳、氮、磷和氫也已被檢測(cè)到。結(jié)合對(duì)氧的檢測(cè)，就意味著制造DNA的所有元素，即攜帶遺傳信息分子的所有元素，都在仙后座A 中找到了。

氧是人體中最豐富的元素（約占人體質(zhì)量的65%），鈣有助于形成和維持健康的骨骼和牙齒，而鐵是身體中攜帶氧氣的紅細(xì)胞的重要組成部分。太陽系中的所有氧氣都來自大質(zhì)量恒星的爆炸，大約50%的鈣和約40%的鐵也來自這些爆炸，而質(zhì)量較小的白矮星的爆炸促成了這些元素的平衡。

雖然確切的日期尚未確定，但許多專家認(rèn)為，創(chuàng)造了仙后座A的恒星爆炸發(fā)生在地球時(shí)間1680年左右。天文學(xué)家估計(jì)，在爆炸之前，這顆劫數(shù)難逃的恒星的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的5倍，而其生命之初的質(zhì)量估計(jì)為太陽質(zhì)量的16倍。在爆炸前的數(shù)十萬年時(shí)間里，這顆恒星大約2/3的質(zhì)量被強(qiáng)烈的宇宙風(fēng)吹散了。

在其生命的早期，這顆恒星就開始通過核聚變將其核心中的氫和氦融合成較重的元素。在這一過程中，聚變產(chǎn)生的能量平衡了恒星對(duì)重力的作用。這些反應(yīng)一直持續(xù)到在恒星的核心形成鐵。此時(shí)，進(jìn)一步的核聚變將消耗而不是產(chǎn)生能量，因此引力使得恒星內(nèi)爆并形成密集的恒星核心，即中子星。

內(nèi)爆之后產(chǎn)生巨大爆炸的原因是復(fù)雜的，這是一個(gè)需要深入研究的主題。但最終，中子星外面不斷下落的物質(zhì)在其被超新星爆發(fā)向外排出時(shí)被進(jìn)一步的核反應(yīng)所改變。

錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡于1999年升入太空以來，對(duì)仙后座A進(jìn)行了反復(fù)觀測(cè)，收集到大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)集揭示了有關(guān)仙后座A中的中子星的新信息、爆炸的細(xì)節(jié)以及碎片如何被拋入太空的具體情況。