科学家观察到白矮星的爆炸现象

当像我们太阳这样的恒星耗尽燃料时它们会收缩形成白矮星。这种死亡的恒星有时会在一次超热的爆炸中恢复活力并产生一个X射线辐射的火球。来自包括图宾根大学在内的几个德国机构的一个研究小组在弗里德里希-亚历山大-纽伦堡大学(FAU)的领导下首次观察到了这样一个X射线光的爆炸。

“这在某种程度上是一个幸运的巧合，真的，”来自FAU天文学机构的Ole König指出“这些X射线闪光只持续几个小时，几乎不可能预测，但观测仪器必须在准确的时间直接对准爆炸。”他跟Jörn Wilms博士教授和来自马克斯-普朗克地外物理研究所、图宾根大学、巴塞罗那加泰罗尼亚理工大学和波茨坦莱布尼茨天体物理研究所的研究团队一起在《自然》上发表了一篇关于这次观测的文章。

这种情况下的仪器是eROSITA X射线望远镜，它目前位于离地球一百五十万公里的地方，自2019年以来一直在调查天空中的软X射线。2020年7月7日，它在天空中的一个区域测量到了强烈的X射线辐射，而这个区域在4小时前是完全不显眼的。四小时后，当X射线望远镜测量天空中的同一位置时辐射已经消失了。由此可见，之前完全过度暴露在探测器中心的X射线闪光一定持续了不到8小时。

像这样的X射线爆炸在30多年前就被理论研究所预测，但直到现在还没有被直接观察到。这些X射线的火球发生在恒星的表面，这些恒星在用完大部分由氢和后来在其核心深处的氦组成的燃料之前其大小跟太阳相仿。这些恒星的尸体不断缩小，直到剩下白矮星，它们的大小跟地球相似，但其质量可能跟我们的太阳相似。“想象这些比例的一种方法是把太阳想象成跟苹果一样大小，这意味着地球将跟针头一样大小并以10米的距离围绕苹果运行，”Jörn Wilms解释道。

来自图宾根大学的Victor Doroshenko博士补充称：“这些所谓的新星确实一直在发生，但在大多数X射线发射产生的最初时刻探测它们真的很难。不仅闪光的持续时间短是一个挑战，而且发射的X射线的光谱非常软。软X射线的能量不大，容易被星际介质吸收，所以我们在这个波段不能看得很远，这就限制了可观察的物体的数量--无论是新星还是普通的恒星。望远镜通常被设计成对较硬的X射线最有效，因为那里的吸收不那么重要，而这正是它们会错过这样一个事件的原因！”Victor Doroshenko总结道。

另一方面，如果要把一个苹果缩小到针头大小，那么这个微小的颗粒将保留苹果相对较大的重量。Jörn Wilms继续称：“来自白矮星内部的一茶匙物质很容易就具有跟一辆大卡车相同的质量。由于这些烧毁的恒星主要由氧和碳组成，我们可以把它们比作在太空中漂浮的与地球同样大小的巨大钻石。这些珍贵宝石形式的物体温度很高，会发出白色的光芒。然而这种辐射非常微弱，从地球上很难探测到。

除非白矮星伴随着一颗仍在燃烧的恒星，也就是说，当白矮星巨大的引力从伴随的恒星外壳中吸引氢气时。FAU的天体物理学家Jörn Wilms说道：“随着时间的推移，这些氢气可以在白矮星的表面聚集成一个只有几米厚的层。”在这层中，巨大的引力产生了巨大的压力，这种压力非常大，以至于大到导致恒星重新点燃。在一个连锁反应中，它很快就会发生巨大的爆炸，期间氢气层被炸掉。像这样的爆炸的X射线辐射就是2020年7月7日击中eROSITA探测器的原因，产生了一个过度曝光的图像。

“对来自白矮星大气层的X射线辐射的物理来源的理解相对较好，我们可以从第一原理和精致的细节中建立它们的光谱模型。将模型跟观测结果进行比较可以了解这些物体的基本属性，如重量、大小或化学成分，”来自图宾根大学的Valery Suleimanov博士说道，“然而，在这种特殊情况下的问题是，在30年没有光子的情况下，我们突然有了太多的光子，这扭曲了eROSITA的光谱反应，eROSITA的设计则是为了探测数以百万计的非常微弱的天体，而不是一个但非常明亮的物体”，Victor Doroshenko补充道。

Jörn Wilms则表示：“利用我们最初在支持X射线仪器开发时拟定的模型计算，我们能在一个复杂的过程中更详细地分析曝光过度的图像，从而获得一个白矮星或新星爆炸的幕后观点。”

根据这些结果，这颗白矮星的质量大约相当于我们的太阳，因此相对较大。爆炸产生了一个温度约为327,000摄氏度的火球，这使其温度为太阳的60倍。“这些参数是通过将X射线辐射模型跟Valery Suleimanov和Victor Doroshenko在图宾根创建的非常热的白矮星所发出的辐射模型相结合，以及在FAU和MPE进行的远远超出规格的制度下对仪器反应的非常深入的分析而获得的。我认为这很好地说明了现代科学中合作的重要性--以及德国eROSITA联盟中广泛的专业知识，”来自图宾根大学的Klaus Werner教授博士补充道。

由于这些新星很快就耗尽了燃料，它们会迅速冷却，X射线辐射则会变得更弱并直到最终变成可见光，其在eROSITA探测到的半天后到达地球并被光学望远镜观测到。

Ole König指出，随后出现了一颗看似明亮的恒星，这实际上是来自爆炸的可见光且非常明亮，以至于在夜空中可以用肉眼看到它，“像这样看似‘新星’的现象在过去也曾被观测到过。由于这些新星只有在X射线闪光后才能看到，因此很难预测这种爆发，当它们撞上X射线探测器时主要是靠运气。”