從Ia型超新星殘骸推測前世的雙星情緣

中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2022年1月27日

天文學家透過Ia型超新星發現宇宙正在加速膨脹，因此獲頒了2011年的諾貝爾物理獎；然而，這種超新星如何形成還有許多未解之謎。簡單來說，目前認為Ia型超新星是由一個白矮星跟一個伴星構成的雙星系統爆炸所形成，其中伴星可能是一個恆星或是另一個白矮星。理論預測，恆星伴星在爆炸後會存活，且應該還是能亮到被觀測到，白矮星伴星則會屍骨無存或是暗到極難被偵測到。所以如果在Ia型超新星殘骸中能找到存活伴星，或是找到來自於恆星跟白矮星交互作用造成質量損失所產生的拱星物質（circumstellar medium），就能證實其前身為白矮星及恆星的雙星系統。


數十年來，銀河系內沒有任何存活伴星能被確切證實。2017年，本所博士後研究李傳睿及其團隊在大麥哲倫雲星系中一個年輕的Ia型超新星殘骸N103B內，第一次在銀河系外用光度資料分析赫羅圖，找到可能的存活伴星，並且用光譜確認了此超新星殘骸中拱星物質的存在。光譜顯示這些拱星物質密度極高並且發射出許多禁線（forbidden line，指在地球實驗室環境下很難產生的發射譜線），證實N103B的前身可能為白矮星及恆星的雙星系統。2019年，李傳睿團隊使用超大望遠鏡（VLT）的多元光譜偵測器，延續之前的研究，在大麥哲倫雲星系中另外兩個年輕的Ia型超新星殘骸0519-69.0及DEM L71內，又找到可能的存活伴星。俗話說，一張圖勝過千言萬語，天文學上則是一段光譜勝過千萬張圖。這是第一次在銀河系外的Ia型超新星殘骸中，使用光譜找到可能的存活伴星，比之前用光度觀測得到更多恆星的資訊。結合這兩年在大麥哲倫雲星系內尋找存活伴星的研究，首次推論出前身為白矮星及恆星雙星系統的Ia型超新星比例約20%-60%，可能比之前根據銀河系內研究預測的20%更多！


年輕Ia型超新星殘骸的前向震波，經常在光學波段的巴耳末譜線影像（如Ｈα）中呈現出明顯的絲狀殼（filamentary shells），但在禁線的譜線影像則沒有看到或只有非常微弱的訊號。由此可見，前述在N103B內觀測到一團團發射禁線的拱星物質是個不尋常的例子。因此，從N103B的靈感發想，李傳睿團隊使用超大望遠鏡的多元光譜偵測器及先進技術望遠鏡（ATT）的廣域集成光譜儀，在大麥哲倫雲星系中五個最年輕Ia型超新星殘骸（0509-67.5、0519-69.0、N103B、DEM L71和0548-70.4）中，尋找是否還有其他發射禁線的物質存在。其中, 0509-67.5 裡因為沒有任何可能的存活伴星，是唯一已知被證實前身為雙白矮星系統的Ia型超新星遺骸，而0519-69.0、N103B及DEM L71如前述所說，各有一個可能的存活伴星，因此，這樣的觀測對比將會十分有趣。


新的觀測結果跟多數人的預期相反，在這五個年輕Ia型超新星殘骸中，有多達四個（0519-69.0、N103B、DEM L71和0548-70.4）有一團一團發射明亮禁線的高密度拱星物質，只有0509-67.5 沒有任何發射禁線的星雲凝聚物（nebular knots），符合我們對其雙白矮星前身的預期。其中，0519-69.0、DEM L71及0548-70.4中發射禁線的拱星物質都是第一次被觀測到！在這研究中，有80%的年輕Ia型超新星殘骸具有拱星物質，暗示著他們的前身極可能為白矮星及恆星的雙星系統。這是首次有研究使用尋找拱星物質的方法，推論出銀河系外的其他星系中，Ia型超新星殘骸前身為白矮星及恆星的比例，而且這個比例跟先前使用尋找存活伴星方法的結果一致。更有趣的是，這些拱星物質的物理特性似乎隨著超新星殘骸的年紀大小有演化效應，暗示Ia型超新星殘骸中拱星物質的存在，可能比人們根據銀河系內研究認為的更為普遍。

左圖：插畫家筆下白矮星及紅巨星（恆星）的雙星系統示意圖。圖片來源：STFC/David Hardy。右圖：插畫家筆下兩個白矮星的雙星系統示意圖。圖片來源：NASA/Dana Berry, Sky Works Digital。

左圖：超新星殘骸0509-67.5的多波段合成照，氫的紅色發射譜線Ｈα影像呈現圓形的絲狀殼，內部沒有看到星雲凝聚物。圖片來源：X-ray: NASA/CXC/SAO/J.Hughes et al, Optical: NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)。右圖：0509-67.5的不同譜線影像，左上及右上分別是哈伯太空望遠鏡和超大望遠鏡看到的Ｈα，其餘分別是氧（左中和左下）、鐵（右中）和硫（右下）的禁線影像。可以發現前向震波，也就是Hα殼的位置，在其餘禁線影像裡都沒有訊號，反向震波則在鐵的禁線影像有訊號。殘骸中沒有任何發射禁線的星雲凝聚物，符合其前身為雙白矮星系統的預期。圖片來源：李傳睿團隊。

左圖：超新星殘骸N103B的多波段合成照，紅色的可見光影像可以看到內部有許多星雲凝聚物。圖片來源：NASA/CXC/SAO & NASA/STScI & Y.-H. Chu。右圖：N103B的不同譜線影像，左上及右上分別是哈伯太空望遠鏡和超大望遠鏡看到的Ｈα，其餘分別是氧（左中和左下）、鐵（右中）和硫（右下）的禁線影像，都能看到星雲凝聚物。圖片來源：李傳睿團隊。

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李傳睿博士，中央研究院天文及天文物理研究所 (Tel) 02-2366-5384，cjli@asiaa.sinica.edu.tw