科學家首次觀察到白矮星的爆炸現象

“這在某種程度上是一個幸運的巧合，真的，”來自FAU天文學機構的Ole K?nig指出“這些X射線閃光只持續幾個小時，幾乎不可能預測，但觀測儀器必須在準確的時間直接對準爆炸。”他跟J?rn Wilms博士教授和來自馬克斯-普朗克地外物理研究所、圖賓根大學、巴塞羅那加泰羅尼亞理工大學和波茨坦萊布尼茨天體物理研究所的研究團隊一起在《自然》上發表了一篇關于這次觀測的文章。

這種情況下的儀器是eROSITA X射線望遠鏡，它目前位于離地球一百五十萬公里的地方，自2019年以來一直在調查天空中的軟X射線。2020年7月7日，它在天空中的一個區域測量到了強烈的X射線輻射，而這個區域在4小時前是完全不顯眼的。四小時后，當X射線望遠鏡測量天空中的同一位置時輻射已經消失了。由此可見，之前完全過度暴露在探測器中心的X射線閃光一定持續了不到8小時。

像這樣的X射線爆炸在30多年前就被理論研究所預測，但直到現在還沒有被直接觀察到。這些X射線的火球發生在恒星的表面，這些恒星在用完大部分由氫和后來在其核心深處的氦組成的燃料之前其大小跟太陽相仿。這些恒星的尸體不斷縮小，直到剩下白矮星，它們的大小跟地球相似，但其質量可能跟我們的太陽相似。“想象這些比例的一種方法是把太陽想象成跟蘋果一樣大小，這意味著地球將跟針頭一樣大小并以10米的距離圍繞蘋果運行，”J?rn Wilms解釋道。

來自圖賓根大學的Victor Doroshenko博士補充稱：“這些所謂的新星確實一直在發生，但在大多數X射線發射產生的最初時刻探測它們真的很難。不僅閃光的持續時間短是一個挑戰，而且發射的X射線的光譜非常軟。軟X射線的能量不大，容易被星際介質吸收，所以我們在這個波段不能看得很遠，這就限制了可觀察的物體的數量--無論是新星還是普通的恒星。望遠鏡通常被設計成對較硬的X射線最有效，因為那里的吸收不那么重要，而這正是它們會錯過這樣一個事件的原因！”Victor Doroshenko總結道。

另一方面，如果要把一個蘋果縮小到針頭大小，那么這個微小的顆粒將保留蘋果相對較大的重量。J?rn Wilms繼續稱：“來自白矮星內部的一茶匙物質很容易就具有跟一輛大卡車相同的質量。由于這些燒毀的恒星主要由氧和碳組成，我們可以把它們比作在太空中漂浮的與地球同樣大小的巨大鉆石。這些珍貴寶石形式的物體溫度很高，會發出白色的光芒。然而這種輻射非常微弱，從地球上很難探測到。

除非白矮星伴隨著一顆仍在燃燒的恒星，也就是說，當白矮星巨大的引力從伴隨的恒星外殼中吸引氫氣時。FAU的天體物理學家J?rn Wilms說道：“隨著時間的推移，這些氫氣可以在白矮星的表面聚集成一個只有幾米厚的層。”在這層中，巨大的引力產生了巨大的壓力，這種壓力非常大，以至于大到導致恒星重新點燃。在一個連鎖反應中，它很快就會發生巨大的爆炸，期間氫氣層被炸掉。像這樣的爆炸的X射線輻射就是2020年7月7日擊中eROSITA探測器的原因，產生了一個過度曝光的圖像。

“對來自白矮星大氣層的X射線輻射的物理來源的理解相對較好，我們可以從第一原理和精致的細節中建立它們的光譜模型。將模型跟觀測結果進行比較可以了解這些物體的基本屬性，如重量、大小或化學成分，”來自圖賓根大學的Valery Suleimanov博士說道，“然而，在這種特殊情況下的問題是，在30年沒有光子的情況下，我們突然有了太多的光子，這扭曲了eROSITA的光譜反應，eROSITA的設計則是為了探測數以百萬計的非常微弱的天體，而不是一個但非常明亮的物體”，Victor Doroshenko補充道。

J?rn Wilms則表示：“利用我們最初在支持X射線儀器開發時擬定的模型計算，我們能在一個復雜的過程中更詳細地分析曝光過度的圖像，從而獲得一個白矮星或新星爆炸的幕后觀點。”

根據這些結果，這顆白矮星的質量大約相當于我們的太陽，因此相對較大。爆炸產生了一個溫度約為327,000攝氏度的火球，這使其溫度為太陽的60倍。“這些參數是通過將X射線輻射模型跟Valery Suleimanov和Victor Doroshenko在圖賓根創建的非常熱的白矮星所發出的輻射模型相結合，以及在FAU和MPE進行的遠遠超出規格的制度下對儀器反應的非常深入的分析而獲得的。我認為這很好地說明了現代科學中合作的重要性--以及德國eROSITA聯盟中廣泛的專業知識，”來自圖賓根大學的Klaus Werner教授博士補充道。

由于這些新星很快就耗盡了燃料，它們會迅速冷卻，X射線輻射則會變得更弱并直到最終變成可見光，其在eROSITA探測到的半天后到達地球并被光學望遠鏡觀測到。

Ole K?nig指出，隨后出現了一顆看似明亮的恒星，這實際上是來自爆炸的可見光且非常明亮，以至于在夜空中可以用肉眼看到它，“像這樣看似‘新星’的現象在過去也曾被觀測到過。由于這些新星只有在X射線閃光后才能看到，因此很難預測這種爆發，當它們撞上X射線探測器時主要是靠運氣。”