超新星–亮度相當於整個銀河系的恆星爆炸自古以來就令我們著迷。然而，貧氫超新星的數量比天文物理學家所能解釋的還要多。現在，奧地利科學技術研究所（ISTA）的一位新任助理教授在確定缺失的前兆星群方面發揮了關鍵作用。現在發表在《科學》（Science）雜誌上的這一成果，可以追溯到多年前作為初級科學家的兩位教授的一次對話。

雙星發生質量轉移的可視化影像揭示貧氫超新星缺失的前驅物。圖片來源：© Ylva Götberg

有些恆星並不是單純地消亡，而是在恆星爆炸中爆發，其威力可能超過整個星系。這些被稱為超新星的宇宙現象會在太空中傳播光、元素、能量和輻射，並產生銀河衝擊波，從而壓縮氣體雲並產生新的恆星。換句話說，超新星塑造了我們的宇宙。其中，大質量恆星爆炸產生的貧氫超新星一直讓天文物理學家感到困惑。原因是：科學家一直無法找到它們的前身恆星。這些超新星幾乎就像是憑空出現的。

“貧氫超新星的數量比我們目前的模型所能解釋的要多得多。要么我們無法探測到在這條路徑上成熟的恆星，要么我們必須修改我們所有的模型，”ISTA 助理教授伊爾娃-戈特伯格（Ylva Götberg）說。她與加拿大多倫多大學鄧拉普天文學與天體物理學研究所的副教授瑪麗亞-德魯特（Maria Drout）共同開創了這項工作。

“單恆星通常會以富氫超新星的形式爆炸。氫貧乏表明前體恆星肯定已經失去了厚厚的富氫包膜。這種情況在三分之一的大質量恆星中都會自然發生，因為雙星伴星會剝離其包膜，”戈特伯格說。

現在，戈特伯格和德魯特將他們在理論建模和觀測方面的專長結合起來，尋找失蹤的恆星。他們的探索取得了成功：他們記錄了一個首創的恆星群，終於彌補了一個巨大的知識空白，並揭示了貧氫超新星的起源。

雙星和包膜剝離

戈特伯格和德魯特尋找的恆星是成對的：在雙星系統中相互交錯。天狼星雙星系統距離地球僅8.6 光年–從宇宙學的角度來說，簡直是咫尺之遙。這就解釋了天狼星A 在我們的夜空中被觀測到的亮度。

天體物理學家預計，失蹤的恆星最初是由大質量雙星系統形成的。在雙星系統中，恆星會相互環繞運行，直到質量較大的恆星厚厚的、富含氫氣的包膜膨脹為止。最終，不斷膨脹的包膜對伴星的引力會大於對自身核心的引力。

這導致質量開始轉移，最終導致整個富氫包膜被剝離，留下炙熱而緊湊的氦核心–比太陽表面的溫度高出10 倍以上。這正是戈特伯格和德魯特正在尋找的恆星類型。

雙星伴星剝離恆星的三幅影像。第三幅畫描繪了在本作品中觀測到這些恆星的階段。電影劇照。圖片來源：© ESO/L. Calçada/M. Kornmesser/SE de Mink

“透過雙星相互作用剝離出來的中等質量氦星被認為會在天體物理學中發揮重要作用。然而，直到現在才觀測到它們。”事實上，已知的各類氦星之間存在著巨大的質量差距：質量較大的沃爾夫-雷葉（WR）星的質量是太陽的10 倍以上，而低質量的亞矮星的質量可能只有太陽的一半左右。不過，根據模型預測，貧氫超新星的前驅物在剝離後的質量在2到8個太陽質量之間。

並非大海撈針

在戈特伯格和德魯特的研究之前，只有一顆恆星被發現符合預期的質量和成分標準，並被稱為”準狼射線”（或”近似狼射線”）。

戈特伯格說：”然而，遵循這條路徑的恆星壽命如此之長，許多恆星肯定散佈在可觀測宇宙的各個角落。”難道科學家們根本就沒有”看到”它們？於是，哥德貝格和德魯特利用他們互補的專業知識。在紫外線光度測定法和光學光譜法的幫助下，他們確定了一個由25 顆恆星組成的星群，這些恆星符合對中等質量氦星的預期。這些恆星位於大麥哲倫雲和小麥哲倫雲這兩個被研究得很透徹的鄰近星系中。

“我們的研究表明，這些恆星比恆星誕生線更藍，這是單顆恆星一生中最藍的階段。單顆恆星的成熟過程是向光譜中的紅色區域演化。只有當恆星的外層被移除時，恆星才會向相反的方向移動–這種情況預計在相互作用的雙星中很常見，而在單顆大質量恆星中卻很少見，」戈特伯格解釋說。

研究報告的作者貝瑟尼-路德維希（Bethany Ludwig）、安娜-奧格雷迪（Anna O’Grady）、瑪麗亞-德魯特（Maria Drout）和伊爾娃-戈特伯格（Ylva Götberg ）在智​​利拉斯坎帕納斯天文台的麥哲倫望遠鏡上進行觀測，他們在那裡為這項研究收集數據。圖片來源：Y.

科學家隨後利用光學光譜學驗證了候選恆星群：他們發現這些恆星具有強烈的電離氦光譜特徵。

“強電離氦線告訴我們兩件重要的事情：首先，它們證實恆星的最外層主要是氦，其次，它們的表面非常熱。”戈特伯格說：”在剝離後，恆星的內核暴露在外，結構緊湊，富含氦，這就是恆星的情況。”

然而，雙星系統中的兩顆恆星都對觀測到的光譜有貢獻。因此，這項技術使研究人員能夠根據哪顆恆星對光譜的貢獻最大，對候選星群進行分類。

「這項工作讓我們找到了缺失的中等質量脫氦恆星群，它們是貧氫超新星的預言祖先。這些恆星一直存在，而且可能還有更多。我們必須想辦法找到它們，」戈特伯格說。”我們的工作可能是最早的嘗試之一，但應該還有其他可能的方法。”

從研究生到天文物理學領導人物

戈特伯格和德魯特在研究生學習期間參加了一次會議，在會議上戈特伯格發表了演講，會後的一次討論引發了這個計畫背後的想法。這兩位科學家當時都是向著星空進發的早期職業研究人員，如今都已成為各自領域的領導者。

戈特伯格曾作為美國太空總署哈伯博士後研究員在加州帕薩迪納的卡內基天文台從事研究工作，今年9月她加入了ISTA。在國際天文物理學研究所，戈特伯格加入了研究所不斷壯大的年輕天文物理學組長行列，並領導她自己的小組，專注於研究恆星的雙星相互作用。

編譯來源：ScitechDaily