Herschel探测到的SN1987A中的尘埃贮藏

(本文也是最近很热的一个科学结果,加上近半年多来,SN1987A重放光辉,再入大家视野 (实际上从来没离开过天文学家的视野),结合本文的工作,可以有不少值得了解的东西,特别介绍一下)

标题:Herschel Detects a Massive Dust Reservoir in Supernova 1987A

  • 作者:PM. Matsuura, E. Dwek, M. Meixner, M. Otsuka, B. Babler, M.J. Barlow, J. Roman-Duvad, C. Engelbracht, K. Sandstrom 等
  • 论文索引:astro-ph:1107.1477
  • 编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

    背景知识:

    SN 1987A 的传奇:

    1987年2月23日,一个看似平凡的夜晚降临在智利北部安第斯山脉上的Las Campanas天文台,所有的肉眼可见的超新星的故事似乎都有着这样的开头,而这次的幸运者落在了来自多伦多大学的研究助理 Ian Shelton 的身上,当晚,他的研究目标是南天著名的银河系伴星系大麦哲伦云 (LMC)。在完成了近3个小时的曝光后,Ian首先从底片板上看到的是一颗异常明亮的恒星,他马上意识到这颗恒星的特殊之处,走出圆顶外,他立即就用肉眼确认了这颗新“出现”的恒星闪烁的光芒,与此同时,天文台的另一位望远镜操作员Oscar Duhalde独立的用肉眼发现了这颗超新星,而远在新西兰,一位AAVSO (美国变星观测协会,极其专业的业余天文爱好者组织)会员 Albert Jones 也独立用他的30cm望远镜发现了它,并确认其目视星等为5.1 mag。第二天早晨,关于新的,肉眼可见的超新星发现的报告就通过天文电报系统 (Astronomical Telegrams) 传遍了世界天文界。。。

    现在大家已经知道,SN1987A (SN是超新星英语Supernova的缩写,1987为发现年份,A代表这是当年发现的第一颗超新星) 是位于LMC中的狼蛛星云中的超新星,它距离我们 51.4 Kpc,肉眼可见,最亮时星等接近3等。这颗超新星是天文学家用现代观测设备和恒星演化理论武装起来以后,第一次有机会在如此近的距离上看到超新星爆发,尽管当时还没有HST等空间设备,但是当时最大的天文卫星Astron (紫外卫星),还是尽快的进行了观测,同时地面的各种望远镜对这他进行了高强度的观测。而且,这颗超新星从一开始就注定是不平凡的,从对他的中微子观测,到前身星确认,光变曲线,产生的年轻的超新星遗迹等等,没有一项不是带给天文学家们新的惊喜和困扰。比如前身星确认,这颗被认证为光谱性B3的中等质量恒星按照当时的理论根本不能作为II型超新星爆发,以至于很长时间天文学家们认为这是一颗前身星,挡住了后面真正的前身红超巨星。20多年过去了,SN1987A依然再不断的带给我们新的惊喜,比如本文。


    fig1

    Fig.1: 左图为Herschel观测到的SN1987A区域的合成图象,右图为左图圆圈区域内的放大,图象来自HST的观测,SN1987A的“三环套月”的结构清晰可见

    早期对SN 1987A的观测:

    在第一时间记录到了来自SN1987A的中微子首先确认了这是一颗大质量恒星死亡的过程,而光学波段和紫外波段的光度和光变曲线显示出在爆发后给超新星遗迹提供能量的能源主要是Ni和Co元素的同位素的放射性衰变,并由此可以推算出超新星爆发种产生的Fe56同位素的元素质量在0.06太阳质量左右;在SN1987A的光谱中探测到了H元素的光谱,因而他最终被分类为II型超新星。

    在早期的X射线和\gamma射线波段的观测中,发现了抛射物呈现团块状分布(clumpy)的证据,而且,重元素的近红外和中红外谱线也揭示出了超新星爆发的核心产物在外围抛射物中开始混合的迹象。最早对SN1987A进行中红外光谱和测光观测的是KAO (Kuiper Airborne Observatory,SOFIA的前辈),已经观测到了在SN1987A的爆发中产生的尘埃,意味着在爆发后 450-600天的时间段以后,尘埃开始在抛射物中的团块分布区域聚集,根据估计,尘埃的质量在10^{-4} M_{\odot} 左右。

    在爆发后的几年内,SN1987A已经从一个刚刚爆发,由放射性元素衰变提供能量的年轻超新星爆发遗迹过渡到了通过超新星产生的爆震波 (Blastwave) 与星际介质相互作用产生增量的环状结构的新阶段,这个阶段最显著的特征,就是在紫外,X射线和中红外波段观测到的环上的“Hot Spot”增亮结构。在爆发后 6200–8000 天后,Spitzer望远镜在 6-30 微米的波段对 SN1987A 进行了光谱观测,发现了10^{-6} M_{\odot}的Si尘埃发射,这些尘埃被碰撞加热到了180K左右。

    如果要总结SN1987A的观测,恐怕专门出一本书都不够,这里面仅仅是简单的总结一下几个和尘埃相关的关键证据,对SN1987A感兴趣的同学可以参考下面几篇综述文章:Arnett et al. (1989), McCray (1993, 2003, 2005);这里面需要强调的就是超新星爆发一直是作为宇宙中尘埃产生和分布的主要驱动力量之一,但只有SN1987A这样的近距离超新星才能提供给我们仔细研究具体尘埃产生的过程,而本文的Herschel观测正好提供了一个最直接的证据


    fig2

    Fig.1: Herschel观测到的冷尘埃与Spitzer观测到的温尘埃的SED

    本文工作:

    和我之前介绍过的许多观测文章相似,本文工作的思路很简单,任何一个天文学家,你给他Hershcel这样的设备,他都会对准LMC,尤其是SN1987A的。本文正是Herschel观测LMC的关键项目的一部分,利用能进行成像的PACS和SPIRE设备在100, 160, 250, 350, 500微米处进行了观测,Herschel在这5个波段的分辨率分别是,6.69”×6.89”, 10.65”×12.13”, 18.2”, 24.9” 和 36.3”,虽然这个分辨率看上去比较寒酸,但在这个波段已经实属不易,而且确实通过观测把 SN1987A作为一个点源分辨出来 (除了500微米的波段),并且坐标和VLBI观测提供的精确坐标重合 (见图一和图三)。

    这篇astroph上的文章是将要发表在Science上的文章的一个作者自己的简单版本,受限于Science的篇幅,并没有太多的技术环节的介绍,想必和一般的Hershcel数据处理并无二致,下面我们简单的介绍一下本文的结论。


    fig1

    Fig.3: Spitzer IRAC 8 微米观测与Herschel不同波段单独探测的比较,可以看到,在350微米短波长端的所有Herschel波段上,SN1987A都被成功的分辨为点源,图中白色圆圈显示的是Herschel的典型PSF大小

    主要结论:

    本文的主要结论其实就是探测到了来自SN1987A的远红外尘埃辐射,而且可以在多数波段作为点源分辨出来,简单计算可知,SN1987A的100到500微米总光度在220太阳光度左右,这个光度对应于爆发后8467和8564天之间,因为超新星遗迹有比较强和快速的光度演化,因而在计算和比较不同观测的光度的时侯,需要特别注意一下观测进行的时间。对比之下,7983天的中红外光度 (5-40微米) 是1200太阳质量,8012天的X射线光度是500太阳质量。

    把Spitzer的中红外观测和Herschel的远红外观测联合起来构建SED可以发现两个峰值 (见图二),分别对应于两个特征温度,一个Warm,一个Cold尘埃的发射。不过这个结论可能收到来自相同位置的同步加速辐射的“污染”,为此,作者利用最近的射电观测得到的同步加速辐射射电谱轮廓进行外推,并得到了远红外观测主要来自尘埃的黑体辐射的结论(参考图四);除此之外,因为只是测光观测,还需要估计出可能的线发射的贡献,前面我们已经有文章介绍过,在远红外和亚毫米波波段,几条主要的谱线的贡献可能非常显著,不过在这里,通过估计,[OIII],[CII], [NII]等主要谱线的贡献不会非常显著。

    利用得到的辐射流量,作者计算了尘埃的温度和质量:比如无定型碳尘埃 (Amorphous Carbon) 的质量在0.35太阳质量,温度在21.2K左右,而硅酸盐尘埃的质量在2.4太阳质量,温度在19K左右,等等。不过,更重要的是对尘埃起源的讨论。作者在文章中把可能的观测到的尘埃起源总结为四个通道,不过可以简化为三种来历,1是前身星阶段产生的尘埃,2是附近星际介质中的尘埃,3是超新星爆发过程中产生的尘埃。通过对已知前身星的质量和类型,估计其产生尘埃的组成,可以发现和观测的明显不符合,因而可以基本排除前身星产生的尘埃占主要贡献的可能;通过对尘埃总质量与附近星际介质中可能的尘埃质量的比较,又可以基本排除星际介质环境中尘埃主要贡献的可能;因而,最后的结论可以认为,Herschel观测到的冷尘埃主要来自超新星爆发产生的抛射物中聚集的尘埃黑体辐射的贡献。

    有了尘埃来源的估计,下一个问题就是尘埃加热的机制了,这里面的可能性有三种,第一个就是来自超新星爆震波和星际介质相互作用产生的X射线辐射 (500太阳光度);第二个就是抛射物中长期存在的{}^44Ti同位素的放射性衰变(大约400太阳光度);第三个可能就是来自邻近星际介质中的辐射场的贡献;具体是哪个占主导,文章中并没有具体讨论,大概是想留给读者当成思考题吧。

    除了这些比较直接的结果外,本文还有什么深远的意义吗?为啥这种思路直接到让人觉得猴子都明白的文章可以发Science呢?显然是有的,本文最大的意义就在于第一次直接的观测到了和超新星爆发过程直接相关联的大量尘埃,而且是冷尘埃,这些尘埃的质量是在爆发后600天观测到的中红外 Warm Dust质量的1000倍,而温度则要低了20几倍,这意味着这些尘埃是刚刚从抛射物里面“凝聚”出来的新鲜尘埃;考虑到SN1987A是一颗II型超新星,在LMC中,简单估计给出的SNII超新星爆发率是300年一颗,考虑到利用SN1987A确认的冷尘埃质量,整个LMC演化过程中,来自SNII的尘埃贡献率可以达到10^{-3} M_{\odot}/yr,比AGB星的贡献高了10倍,完全可以用恒星起源解释LMC中的尘埃总量。

    由此推开去,联系到高红移,如果SN1987A观测给出的尘埃贡献同样适用的话,一颗SNII贡献 0.4-1 太阳质量的尘埃,假定在尘埃分布到星际介质的过程中没有受到显著的破坏的前提下,超新星可以解释在高红移观测到的星系的相对高的尘埃质量,乃至于整个宇宙中星系演化中的尘埃总量。所以,总结如下,本文得到了三个很厉害的结论或推论:

  • 1. 直接观测到了超新星(II型)爆发后,在抛射物中产生大量尘埃的证据。
  • 2. 证实了,相对于AGB星等其他的恒星尘埃起源的贡献,超新星爆发产生的尘埃贡献更加显著
  • 3. 推而广之到整个宇宙演化历史,可以推论出超新星对星系尘埃和星际介质演化的重要贡献

  • fig1

    Fig.4: 加入了射电波段的同步加速连续辐射贡献的SED,可以看到远红外辐射没有受到同步加速辐射的显著“污染”,主要来自冷尘埃的贡献。

    延伸阅读:

  • 1. Herschel网站上对这个工作的报道
  • 2. Herschel发布的另一张图象
  • 3. HST 前不久关于SN1987A光度变化的观测报道
  • 4. 科学家讲述的SN1987A的故事
  • 5. 关于SN1987A的更详细的介绍
  • 6. AAVSO网站上关于SN1987A发现经过的介绍
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    7 Replies to “Herschel探测到的SN1987A中的尘埃贮藏”

    1. yangcht

      Firefox 5.0 Linux

      这篇2003的文章也是说明了II型超新星对尘埃的贡献,两个的数据分析也有些类似呢。http://www.nature.com/nature/journal/v424/n6946/full/nature01792.html

    2. 快乐中微子

      Firefox 5.0 Windows 7

      1《相对于AGB星等其他的恒星尘埃起源的贡献,超新星爆发产生的尘埃贡献更加显著》. 单颗星贡献当然超新星多,但是考虑到IMF和Multiple SNe II , 上面那个结论可能对一个星系所有的尘埃不准。
      2 《这意味着这些尘埃是刚刚从抛射物里面“凝聚”出来的新鲜尘埃》。 如果这个结论是对的,那么观测到的cold dust 就不是SNe II 抛射的,而是dust grow in ISM.

      • NGC2264

        Chrome 12.0.742.112 Windows XP

        1.根据1987A来推算总尘埃产生率的确不准,因为它本身就很特殊。并且这里只考虑的现在生成的尘埃,似乎没有考虑之后SNR高速的热气体会摧毁多少尘埃。
        2.为什么说是dust grow in ISM?这个说法太忽略SNR的作用了。还不好下定论吧,因为之前说过ISM的质量是不会达到这个量的,而 现在SNR的ejecta质量是远高于扫过的ISM的质量,只有AGB星的星风堆积物和SNR的ejeta有可能造出这些冷尘埃。

        • 快乐中微子

          Firefox 5.0 Windows 7

          我不知道dust 具体生成细节如何算出来。做星系模型的需要知道SN抛出多少dust(爆发中产生的尘埃,这被当作是SN dust),然后至于这些dust被摧毁多少,再新凝聚多少是dust in ISM 里面的过程。 当然如果有人定义SN势力范围内的dust 都属于 SN dust 那就是另外一个问题了。。专门搞SN DUST 理论的也是把抛射的作为SN dust
          http://adsabs.harvard.edu/abs/2007MNRAS.378..973B
          http://adsabs.harvard.edu/abs/2009ASPC..414…43K
          原文Reservoir 这个词我感觉至少不是强调这些dust 的源是SN 1987A。

          The radiation must originate from the SN ejecta and requires the efficient precipitation of all refractory material into dust.
          当然,ISM里面生成dust的元素需要来自SN的贡献。问题是,怎么区别SN 1987A和其他来源的贡献。我想观测上很难区分。

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