揭示超新星1987A殘骸中的分子形成過程
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2024年2月1日
中央研究院天文及天文物理研究所（簡稱ASIAA）的訪問學者小野勝臣博士率領國際團隊，利用超級電腦進行三維非球型對稱的超新星爆炸模擬並研究其化學分子反應。研究成果刊登在最新一期的天文物理期刊增刊（The Astrophysical Journal Supplement），探討超新星震波在恆星內傳播過程中物質混合的影響。
大質量恆星在生命結束時會以激烈的自爆劃下生命終點，稱為超新星爆炸。這種爆炸最終形成超新星殘骸，同時將恆星內部的核融合元素擴散到星際介質中，對星系內的物質演化扮演重要角色。
1987年2月，在大麥哲倫雲星系發現的超新星1987A，由於其距離和年輕性質，提供一個獨特的機會，可以研究從核心崩潰超新星到超新星殘骸的演變。最近，世界最大的電波望遠鏡阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（簡稱ALMA）對超新星1987A有重大突破性觀測，揭示了新形成的雙原子分子一氧化碳（CO）和一氧化矽（SiO），在殘骸中的特殊分佈。有趣的是，其中一氧化碳在超新星殘骸中呈環狀分佈。這種高度非球形對稱的氣體分佈，為大質量恆星爆炸機制、前身恆星的性質、以及殘骸中分子形成等研究領域提供重要資訊。
在這些觀測的驅使下，小野勝臣博士率領國際團隊，利用超級電腦模擬三維非球型對稱的超新星爆炸及其化學分子反應，包含由於雙星合併而導致的超新星爆炸。研究主要探討超新星震波在恆星內傳播過程中物質混合的影響，結果顯示高度非球形、非對稱、呈雙極式爆炸和前身恆星的密度結構，對CO和SiO等分子形成與空間分佈產生重大影響。這些化學計算也包含了放射性鎳56同位素的衰變引起的氣體加熱、游離化和分子重組等複雜現象。最終模擬結果顯示CO的質量分佈與ALMA觀測到的環狀分佈符合。
理研首席科學家長瀧重博博士表示：「我們已經進行了世界首次的三維超新星殘骸中分子形成的模擬。結果與最新的超新星1987A殘骸觀測進行比對，並進一步提供核心塌縮超新星爆炸機制的新見解。」 論文第一作者小野勝臣博士補充道：「爆炸時所產生的各類元素和放射性鎳56的特徵分佈可能會影響分子的數量和分佈，尤其是一氧化碳和一氧化矽。」中研院天文所助研究員陳科榮博士支持這一發現並表示：「這項研究展現超新星爆炸初期所造成的元素混合，對於後來超新星殘骸中分子與塵埃形成的關鍵作用。」
韋伯太空望遠鏡已經開始對最著名的超新星之一，超新星1987A進行觀測。超新星1987A位於距離我們168,000光年遠的大麥哲倫雲星系中，自1987年2月發現以來，已收集了近40年的觀測資料，波長從伽瑪射線到電波都有。韋伯的NIRCam（近紅外相機）最新觀測為超新星如何隨時間演化，乃至最終形成超新星殘骸提供了寶貴的資訊。圖片來源：NASA, ESA, CSA, M. Matsuura (Cardiff University), R. Arendt (NASA’s Goddard Spaceflight Center & University of Maryland, Baltimore County), C. Fransson (Stockholm University), J. Larsson (KTH Royal Institute of Technology), A. Pagan (STScI)
超級電腦模擬展示鎳、矽、氧和碳等元素在超新星爆炸初期時的分佈，此時分子還尚未形成。圖片來源：小野勝臣/中研院天文所
更多資訊：
本篇論文發表於2024年3月出版的天文物理期刊增刊（Astrophysical Journal Supplement），篇名：The impact of effective matter mixing based on three-dimensional hydrodynamical models on the molecule formation in the ejecta of SN 1987A
相關連結：
爆炸小組: https://spes31415.wixsite.com/cosmicexplosion
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中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮
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