RCW 86:星风泡中的Ia型超新星

(这是一篇关于超新星遗迹研究的工作,虽然前面介绍过SN 1987A,但她过于“年轻”,以至于和绝大多数的超新星遗迹都不一样;SNR的研究其实是一个很好玩的领域,把恒星演化和星际介质联系起来,而且特别能展现多波段观测的魅力)

文章:RCW 86: A Type Ia Supernova in a Wind-Blown Bubble

  • 作者:Brian J. Williams, William P. Blair, John M. Blondin, Kazimierz J. Borkowski, Parviz Ghavamian, Knox S. Long, John C. Raymond, Stephen P. Reynolds, Jeonghee Rho, P. Frank Winkler
  • 论文索引:astro-ph:1108.1207
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

背景知识:

超新星遗迹 (Supernova Remnant: SNR) 是超新星爆发后形成的结构,由超新星爆发时形成的激波舒服,由抛射出去的物质和周围星际介质中的物质组成,对于研究超新星爆发过程和星际介质物理都有很重要的作用,要大致介绍超新星遗迹的基础知识,我显然不是合适的人选,而且这里的篇幅也不够,请大家参考我们的延伸阅读部分吧;不过可以大致介绍一下的是,基本上超新星爆发到遗迹的形成演化可以分为4个阶段:超新星爆发阶段-抛射物主导的阶段-Sedov-Taylor阶段-被称为“snowplow”的冷却阶段,以激波速度,扫过的星际介质质量,主要辐射机制等作为区分;如果从形态上看,超新星遗迹可以大致分成三类,1.Shell-like,最典型的就是Cas A,2.Composite,最典型的就是中心有脉冲星风云的蟹状星云了,3.Thermal-Composite: 这是一类外部有射电Shell,中心有X波段热辐射的超新星遗迹,典型的是被称为W28的星云

虽然已经很久没有在天空中看到肉眼可见的银河系超新星了,但天文学家还是可以通过超新星的历史纪录(可以说中国古天文纪录贡献很大)来锁定一些相对年轻的超新星遗迹,通过研究他们了解超新星爆发过程后,甚至前身星和爆发前的种种性质 (比如最近观测到的SN1987A环上结点的重新增亮等等,不过SN1987A位于LMC中)。本文研究的这个超新星遗迹叫 RCW 86,根据中国《后汉书》的纪录,这个遗迹可能和公元185年在中国纪录到的肉眼持续可见8个月的“客星”对应,这似乎也是有历史文献纪录的最早的超新星。


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Fig.1:Spitzer 24微米和WISE 4.6微米以及22微米观测合成的RCW 86图像。

前面提到了,通过SNR的研究,可以了解超新星爆发的过程;我们已经知道超新星爆发主要有两种机制,SNIa与白矮星吸积或者简并天体的并和有关,而以SNII型为主的核塌缩型超新星则是大质量横行演化的终点;两种机制可能非常的不同,而且,根据前身星性质的不同,即便没有观测到超新星爆发的过程,也可以通过SNR的一些性质,比如有无中心脉冲星,抛射物光谱中不同元素的比例 (SNIa可以形成很重的元素,比如Fe峰元素,而SNII一般形成相对轻一些的\alpha元素),抛射物的速度 (SNIa快,SNII慢) 等来反推前身星的性质。对于 SNIa 型超新星,如果假定白矮星双星吸积模型正确而且白矮星吸积的伴星又是一颗主序或者红巨星的话,那么伴星应该能在超新星爆发前一百万年的时标内通过星风在周围的ISM环境中“蚀刻”出一个低密度的空腔来,这个空腔对于超新星爆发时抛射物的速度等都是有影响的;只不过,目前所有已知的可能是SNIa型超新星形成的SNR的研究都没有给出类似空腔存在的证据,而本文,提出了RCW 86 是在一个低密度的星风泡中爆发的观测证据,如果正确的话,应该是第一次找到了这类空腔(Cavity)的存在。

本文工作:

RCW 86在古文献认证和前身星种类认证上面还有一些争议,不过具体的讨论显然超出了我的知识范围,这里不放假定他们正确:即RCW 86形成于公元185年爆发的一颗Ia型超新星,只不过这里提醒大家留心一些结论;如果这个爆发日期是正确的话,那么RCW 86的问题是对于一个只有1800多年历史的SNR,它似乎过大,而且激波传播的速度太快了,(不过这里还有一处地方需要留心,就是SNR的物理大小测量依赖于距离,而通过旋转曲线的方法定距离是可能有很大误差的,RCW 86的距离就被从1Kpc处改到了2.5Kpc处),早在1997年,就有人提出,如果RCW 86是在一个前面提到的低密度空腔中爆发的话,可以更好的解释。


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Fig.2: 左上图:超新星西南部区域的IRAC三色合成图像;右上图:相同区域的MIPS 24微米图像;左下图:XMM-Newton EPIC-MOS2观测的相同区域X射线图像;右下图:Ha 窄带图像

本文通过多波段的观测数据和建模重新审视了这个超新星遗迹,主要包括了超新星遗迹不同区域ISM密度的估计和比较;超新星前身星的种类的进一步确认以及爆发过程的模拟

对于超新星遗迹,其中红外辐射主要来自被加热尘埃的连续辐射,激波扫过区域原子冷却的线辐射还有同步加速辐射的微量贡献,前两种辐射的相对重要性取决于超新星爆发周围的ISM环境性质,因此本文使用了Spitzer 24微米和最新的WISE红外卫星给出的22微米数据来限制RCW 86不同区域的红外辐射机制;和X射线波段的数据结合起来还可以进一步给出星际介质中的尘埃和气体的质量比。


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Fig.3:XMM-Newton卫星的EPIC-MOS2观测的X射线谱,图上叠加的一系列虚线是不同的热和非热模型;请注意在图像最右端的 6.4KeV处的Fe K_{\alpha}谱线。

主要结论:

本文最主要的结论可以总结为以下三个相互联系的部分:

  • 1. 通过红外观测流量比和红外+X-射线数据发现,RCW 86的主要红外辐射机制是尘埃的连续辐射;而西北和西南两个主要区域上的星际介质密度分别为:2.0和2.4 cm^{-3};在激波扫过区域的星际介质中,尘埃和气体的质量比比银河系平均值低了5倍;利用上面给出的星际介质密度可以对爆发以来,激波传播过程中遇到的星际介质总质量给出限制:各种线索都指向RCW 86是一个颇为年轻的超新星遗迹,和公元185年爆发相符,另外其爆发的环境也是相对密度比较低的环境。
  • 2. 通过光学和X-ray的观测揭示出了更多的SNIa型超新星爆发的证据,其中包括了我们提到的缺乏中心致密天体和X-ray光谱指示出大量的Fe元素存在等等。
  • 3. 通过前面的两个部分,作者有了足够的自信基于一颗公元185年爆发的SNIa超新星来考虑RCW 86的性质,结合光学,红外和X射线的数据,并利用1维和2维的流体力学模拟发现:在一个相对于超新星爆发位置“偏心”的低密度空腔中中发生的超新星爆发可以比较好的解释各种的观测,而这个空腔很可能就是超新星的前身星在爆发前夕产生的星风泡。

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    Fig.4:偏心的低密度空腔中超新星爆发的模型在RCW 86对应年龄处的密度结构,爆发中心用黑色的五角星表示,而估计的空腔的中心用黄色的五角星表示,不同的密度结构,包括正向和反向的激波在图中的位置都有所指示。

    延伸阅读:

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    9 Replies to “RCW 86:星风泡中的Ia型超新星”

    1. sunway

      Chromium 9.0.597.98 Linux

      读着读着想要吐,就看见你写出来了。。。还是加一些链接吧:
      Helder et al. 2009 Science, 同一个源但是关注的是东北角那块,cosmic-ray acceleration和Balmer-dominated shocks, 我比较喜欢那一篇;
      Dwarkadas 2005 ApJ, 星风泡中超新星遗迹如何演化的一维模型,抱歉我应该读过但是没有,所以讲不出来点儿什么,大致意思是:星周环境密度低了,激波速度就可以快一点。

      另外激波速度越快postshock gas的温度越高,激波到达冷的中性气体的时候,冷热气体充分混合,才会存在有效的辐射——理论上是这样——这应该是本文关注的NW和SW位置的情形,这也可能是为什么星风泡里面的SNR很少被观测到的原因。

      • sunway

        Chromium 9.0.597.98 Linux

        由于波后压强高于内部压强,向激波下游方向(激波传播相反方向)传播的超声速的压强扰动就是反向激波。

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