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SN 1054

通常意义上,SN 1054就是天关客星。

天关客星是1054年金牛座内爆发的一颗超新星,古代中国和阿拉伯的天文学家在史书中对这颗星留下了详细的记录。

在人类有文字记载的历史上,观测到银河系内的超新星爆发的机会非常少。除了蟹状星云以外,还有被第谷和他的学生开普勒观测到的第谷超新星开普勒超新星。据天文学家推算,银河系内的超新星爆发平均20-50年出现一次。但是大都发生在银核内部,或者在银盘的另一半完全被银核遮挡。蟹状星云的超新星爆发,恰巧发生在银河系内与太阳同一侧银盘上但是比太阳系更远离银核的外侧。这样的部位发生超新星爆发,从地球上观测完全没有遮挡,但是这样机会就极为罕见。

20世纪早期,对早期间隔数年的星云照片进行分析表明,它正在不断膨胀。根据其膨胀速度反推可得,该星云在地球上开始可见的时间至少在900年以前。而中国天文学家1054年的记录过在天空的相同区域产生过一颗亮星,甚至白天都可观测到。由于距离十分遥远,当时中国人观测到的白天的"客星"只可能是超新星。这是一种核聚变已耗尽能量并自行坍缩,从而发生爆炸的巨大恒星。

近期对历史记载的分析表明,产生蟹状星云的超新星爆发时间为4月或5月上旬,到了7月最亮时视星等升至7到4.5之间(比夜空中除了月球以外的任何天体都亮)。该超新星在首次发现大约两年之内都可用肉眼看到。归功于东亚地区和中东地区天文学家1054年记录的观测,蟹状星云成为第一个被确认与超新星爆发有关的天体。

它是一颗II型超新星。

蟹状星云(M1NGC1952金牛座 A)是位于金牛座ζ星(天关)东北面的一个超新星残骸和脉冲风星云。蟹状星云距地球约6,500光年(2,000秒差距),直径达11光年(3.4秒差距),并以每秒约1,500公里的速度膨胀。它是银河系英仙臂的一部分。

蟹状星云在可见光区中有大量椭圆形的丝状结构围绕着弥散的蓝色核心区域,长达6角分,宽达4角分(相比而言,满月的直径为30角分),是视直径最大的天体之一。从三维的角度看,该星云的形状是一个长椭球体。这些丝状结构是前身星大气层的残余成分,主要由离子化的氦和氢组成,也含有、氧、氮、铁、。这些丝状结构的温度通常处于11,00018,000K之间,而它们的密度大约为每立方厘米1,300个粒子。

蟹状星云的中心有两颗暗星,其中一颗与此星云的形成直接相关。1942年,鲁道夫闵可夫斯基发现它的光谱极不寻常,从而确认了它的特殊性。到了1949年,天文学家发现此星附近区域是很强的无线电波和X射线辐射源。1967年,它被确认为天空中γ射线辐射强度最大的天体之一。第二年,地球上接受到它放出的辐射脉冲,因此它成为最早发现的脉冲星之一。

脉冲星是强大的电磁辐射源,它们以一定而且很短的周期释放辐射脉冲,频率可达每秒数百次。1967年刚发现这种天体时就产生一个令人费解的谜团,该团队甚至考虑了那可能是先进文明发出的信号。然而,在蟹状星云中心发现了脉冲射线源,这成为证明该星云起源于超新星爆发的强有力的证据。现在认为它们是高速自转的中子星,它们的强磁场将辐射约束成很窄的波束向外释放。

据信,蟹状星云脉冲星的直径约为2830千米,它每隔33毫秒发射一次辐射脉冲。辐射脉冲的波长跨越了从无线电波到γ射线的整个电磁波谱。与其他孤立的脉冲星一样,它的自转周期正在逐渐变慢。有时它的辐射周期会发生急剧变化,称作自转突变,这是由于中子星内部的突然重新组合引起的。脉冲星自转减缓时放出巨大的能量,并发射同步辐射,总光度可达太阳的75,000倍之多。

蟹状星云中心区域由于脉冲星极高能量的不断释放而变得异常活跃。大多数天体的演化非常缓慢,只有经历很长的时间尺度才能觉察出变化。而蟹状星云的内部在几天之内就能产生明显变化。星云内部最活跃的特征,是脉冲星的赤道风猛烈冲击稀疏的其他区域,形成激波阵面。这种激波的形状和位置瞬息万变,赤道风一阵阵地形成然后渐渐减弱并消失,这是因为它们进入了远离脉冲星的星云内部。

发生爆炸成为超新星的那颗恒星被称作前身星(Progenitor star)。有两种类型的恒星会发生超新星爆发:白矮星和大质量恒星。在所谓的Ia型超新星中,气体不断落在白矮星上,不断增大其质量直至接近临界值--钱德拉塞卡极限,最终的结果自然是发生爆炸。而对于Ib/c型和II型超新星,它们的前身星是一颗核聚变反应耗尽了燃料的大质量恒星,最终发生坍缩并不断升温,最终达到超新星爆发的临界温度。蟹状星云中心存在脉冲星表明它一定是由核心坍缩型超新星形成的,因为Ia型超新星不产生脉冲星。

超新星爆发的理论模型表明爆炸形成蟹状星云的超新星质量至少为太阳质量的9到11倍。质量小于8倍太阳质量的恒星因太小而不能发生超新星爆发,它们的最终宿命是行星状星云。如果一颗恒星的质量大于太阳的12倍,那么它产生的星云化学成分会与蟹状星云中实际检测到的不符。

研究蟹状星云遇到的一个重大问题是星云和脉冲星的总质量明显比推测的前身星质量小。关于那些消失的质量的谜团至今仍未解开。首先通过它发出的总光度估算星云的质量,然后计算所需质量,可以得出星云的温度密度。质量的区间估计是太阳质量的15倍之间,而一般研究者认为太阳质量的23倍是合适的估计值。此外,中子星的质量估计为1.4至2倍太阳质量。

解释蟹状星云消失质量的主要理论是前身星的一部分物质在超新星爆发之前就由星风带走了,这种现象在沃尔夫拉叶星中是很常见的。然而,这会在星云外形成一个壳层。尽管天文学试图使用各种不同的波长来探测壳层,但至今还没有任何发现。

蟹状星云所在位置偏离地球绕太阳运转的黄道平面大约1.5°,这意味月球甚至其他行星可能蟹状星云。尽管太阳不会掩蔽此星云,但它的日冕会在星云之前经过。这些凌星和掩星可用于同时分析星云和通过它的天体,因为凌星或掩星发生时地球接收到的蟹状星云的辐射会发生变化。

月球掩蟹状星云的现象已用于绘制星云的X射线发射光谱。在发射X射线观测卫星(比如钱德拉X射线天文台)之前,X射线观测的角分辨率普遍较低。但是月球从星云前经过的时候,它的位置可以计算地非常精确,相当于弥补了分辨率不足的缺陷,因此星云的亮度变化就可以用于制作X射线发射光谱。人们首次从蟹状星云观测到X射线时,就是运用月球的掩星来确定波源的确切位置。

太阳的日冕每年六月从蟹状星云前经过。此时收到的蟹状星云的无线电波可用于分析日冕的密度和结构。早期观测认为日冕的延伸距离远比以前的估计要大,而后来的观测发现日冕密度会发生巨大的变化。

土星掩蟹状星云是很罕见的,最近一次是2003年,而更前的一次在1296年,下次则要到2267年。天文学家运用钱德拉X射线天文台在土星掩星云时观测它的卫星土卫六,并发现土卫六的X射线暗斑比它的固体表面更大,因为它的大气层也能吸收X射线。这些观测表明土卫六的大气层厚度大约是880千米。土星的掩星没有被观测到,因为钱德拉X射线天文台当时正在经过范艾伦辐射带。

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