20200124 NASA 克卜勒目擊像吸血鬼般的矮新星系統正在進行超級爆發

2020/01/25 245 天文探索 , 白矮星 , 棕矮星 , 太空望遠鏡

NASA 的克卜勒太空望遠鏡(Kepler)透過尋找行星越過恆星表面而造成的光度變化來尋找系外行星,幸運的是,相同的設計使其非常適合發現其他天文瞬態訊號(有明顯的開始和結束的訊號稱為「瞬態訊號」) – 隨著時間的推移,天體會變亮或變暗。對克卜勒檔案數據的新搜尋發現了先前未知矮新星(Dwarf nova)的異常爆發。 在不到一天的時間內,該系統變亮了 1600 倍。

所涉及的恆星系統由白矮星(White dwarf)棕矮星(Brown dwarf)伴星組成,棕矮星質量大約是白矮星的十分之一。白矮星是一顆類似於太陽衰老後的剩餘核心,並且以地球的大小含有大約相當於太陽的物質。棕矮星是質量介於 10 至 80 倍木星質量的天體,太小而無法進行核融合(Nuclear fusion)。

棕矮星每 83 分鐘繞白矮星旋轉一次,距離只有 250,000 英里(400,000 公里),大約是地球到月球的距離。它們是如此接近,以至於白矮星的強大引力將棕矮星上的物質剝離,像吸血鬼一樣將其物質吸走。剝去的物質在白矮星周遭盤旋時形成圓盤(稱為吸積盤)。


▲ 該圖展示了一個新發現的矮新星系統(Dwarf nova system),其中白矮星正在從棕矮星伴星中吸出物質,並將物質收集到吸積盤中,直到達到臨界點,導致其亮度突然增加。使用克卜勒的存檔數據,一個團隊觀察到了以前從未見過並無法解釋的逐漸集約化(Gradual intensification),隨後出現了超級爆發(Super-outburst),系統在不到一天的時間內變亮了 1600 倍。(圖片來源:NASA and L. Hustak (STScI)

當該系統發生超級爆發時,克卜勒正朝著正確的方向看,這是一次非常大的機會,它的亮度超過了 1000 倍。 實際上,開普勒是唯一可以見證它的儀器,因為從當時地球的角度來看,該系統太靠近太陽了。克卜勒的快速觀測節奏(每 30 分鐘採集一次數據)對於捕獲爆發的每個細節至關重要。

直到由位於馬里蘭州巴爾的摩(Baltimore, Maryland)太空望遠鏡科學研究所(STScI)的賴安·裡登·哈珀(Ryan Ridden-Harper)和澳大利亞堪培拉(Canberra, Australia)澳大利亞國立大學(Australian National University)領導的團隊確定後,該事件才一直隱藏在克卜勒的檔案中。 裡登·哈珀說:「從某種意義上說,我們偶然發現了這個系統。我們並不是專門在尋找超級爆發。我們正在尋找任何形式的瞬變。」

克卜勒捕捉到整個事件,觀察到亮度緩慢上升,隨後迅速增強。 雖然理論上預言了突然變亮,但起步緩慢的原因仍然是個謎。吸積盤物理學的標準理論無法預測這種現象,隨後在另外兩個矮新星的超級爆發中也觀察到了這一現象。

裡登·哈珀說:「這些矮新星系統已經研究了數十年,因此發現新事物非常棘手。」「我們看到吸積盤遍布 - 從新形成的恆星到超大質量的黑洞,因此了解它們非常重要。」

理論當吸積盤達到臨界點時會觸發超級爆發。隨著物質的積累,它的尺寸不斷增大,直到外邊緣與軌道上的矮星發生重力共振為止。這可能會引發熱的不穩定性,從而導致盤面過熱。實際上,觀察表明盤面的溫度正常狀態下大約為 5,000 至 10,000°F(2,700 至 5,300°C),升高到超級盤面峰值時會引發爆發,溫度約為 17,000 至 21,000°F(9,700 至 11,700 C)。

這種類型的矮新星系統相對罕見,只有大約 100 個已知。一個單獨的系統在兩次爆發之間會長達數年或數十年,這使觀測相當具有挑戰。

STScI 的合著者 Armin Rest 說:「對這個天體的觀測為發現隱藏在克卜勒數據中的更多罕見事件帶來了希望。」

該小組計劃繼續挖掘克卜勒數據以及來自另一個系外行星獵人的數據,即凌日系外行星巡天衛星(TESS),以尋找其他瞬變。

美國印地安納州聖母大學(University of Notre Dame in Indiana)的彼得·加納維奇(Peter Garnavich)說:「克卜勒/K2和現在的 TESS 對這些動態恆星系統的連續觀測使我們能夠研究爆發的最早時間,這是地面天文台幾乎不可能達到的時域(Time domain)。」

這項工作發表在 2019 年 10 月 21 日的皇家天文學會月報(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上。

✎ 參考資料 · References

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