「壳」是谁打破的？ —— XRISM 揭示的超新星残骸中铁离子上记载的剧烈电离的证据

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主译：澄

校对：遠山真理

审核：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：李子琦

https://www.isas.jaxa.jp/topics/003980.html

超新星残骸「人马座A东星」位于我们银河中心附近，其特征是与银河中心的超大质量黑洞「人马座A星」的距离仅为数光年。超新星残骸是恒星在其一生的最后阶段发生的大爆炸——超新星爆炸，向星际空间中抛射的高温等离子体。通过精确测量等离子体中离子的量子态，可以准确捕捉自由电子的温度以及离子电子壳层的剥落情况，从而了解其演化历史。我们利用X射线光谱成像卫星（XRISM）对「人马座A东」进行了观测，精确测量了其中喷发物所含铁离子的量子态。结果表明，与过去使用日本X射线天文卫星「朱雀」的研究结果一致，存在电子壳层过度被剥离（电离）的铁等离子体。电子壳层的剥落情况若以温度表示，则超过5000万度，而自由电子的温度仅为1900万度左右。通常情况下，高温自由电子通过碰撞逐渐剥离重元素的电子壳层，但此次情况却与之相反，即温度的高低发生了逆转。这种异常情况表明铁原子的束缚电子在过去曾被急剧剥夺。其中一个可能的原因是，附近的超大质量黑洞「人马座A星」数千年前的X射线耀斑破坏了电子壳层。

研究背景

大质量恒星在其一生的最后阶段会发生超新星爆炸，产生以每秒数千公里速度传播的冲击波。这些冲击波会加热星际气体和爆炸喷发物，使其转变为高温等离子体状态。当高温自由电子生成后，它们会与重元素发生碰撞，逐渐剥离重元素的电子壳层（使其电离）。通常情况下，电子壳层的剥落是一个缓慢的过程（需要数万年）。然而，一些超新星残骸的等离子体显示出电子壳层的剥落速度比自由电子的温度所指示的要快，即存在「过度电离」现象。这表明它们经历了某种特殊的演化过程。为了弄清楚实际发生了什么物理过程，需要更精确地理解天体的等离子体状态。通过精确测量离子的量子态，可以准确捕捉自由电子的温度和电子壳层的剥落情况，从而精确讨论其演化过程。

研究结果

「人马座A东星」是位于我们银河中心附近的超新星残骸，其与银河中心的超大质量黑洞「人马座A星」的距离仅为数光年（图1）。尽管「人马座A星」目前非常安静，但有说法称其在数百年甚至数千年前曾非常活跃。如果这是真的，那么「人马座A东星」上可能留有这种「痕迹」。我们利用X射线光谱成像卫星（XRISM）对「人马座A东星」进行了观测，精确测量了其中喷发物所含铁离子的量子态。通过精确分光测量，我们首次分离了通常超新星残骸中铁离子常见的自由电子碰撞产生的谱线，以及过度电离铁离子中自由电子复合产生的谱线（图2）。这使我们能够精确测量氦类（电子数为2）和氢类铁离子的比例。

结果显示，电子壳层的剥落情况若以温度表示，则约为5400万度，这远远超过了自由电子的温度——约1900万度。这一结果证实了过去使用日本X射线天文卫星「朱雀」的研究中所暗示的过度电离现象。电子壳层的剥落情况与自由电子温度之间的惊人差异，可以比喻为「母鸟（自由电子）没有孵化蛋，但蛋壳（电子壳层）却破裂，雏鸟（原子核）出现了」。这种异常情况表明过去曾发生过急剧的电离。其中一个可能的原因是，附近的超大质量黑洞「人马座A星」数千年前的强烈X射线耀斑。如果这是真的，那么这个超新星残骸「人马座A东星」就是一个记录了超大质量黑洞活动历史的珍贵「考古资料」。

图1：超新星残骸人马座A东星的射电和X射线图像。×标记表示超大质量黑洞人马座A星的位置。射电图像来自NRAO档案，X射线图像由Chandra观测数据制作。（ JAXA）

图2：（上）通常超新星残骸的等离子体与人马座A东星中观察到的过度电离等离子体的演化过程对比。（下）人马座A东的XRISM软X射线光谱仪（Resolve）、软X射线成像仪（Xtend）测量的氦类铁离子的谱线和等离子体模型。（ JAXA）

学术意义和未来展望

本研究确定了位于银河中心区域的超新星残骸「人马座A东星」处于一种特殊的等离子体状态。这种经历了特殊演化过程的超新星残骸的量子态测量数据非常罕见，它从新的角度为超大质量黑洞的活动以及超新星爆炸前恒星的活动提供了信息。此外，XRISM首次实现的对扩展X射线天体的精确等离子体光谱测量的强大功能也非常重要。通过XRISM以及未来的任务，我们将能够构建像本次案例这样经历了特殊演化路径的超新星残骸的系统理解，并推动恒星演化物理理解的飞跃。本成果可以作为展示这种方法论的开端。

术语解释

※1 自由电子：不被原子核束缚，能够自由移动的电子。

※2 量子态：由原子中束缚电子的数量、能级、自旋等物理量决定的原子状态。

论文信息

论文标题：XRISM 观测揭示的超新星残骸人马座A东星中的过度电离等离子体

作者：XRISM 合作组

责任编辑：甘林

图源: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)