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更精确的测量工作重新定义仙王座恒星的脉动模式和双星系统动力学 RS Puppis 是最亮的仙王座变星之一,在六周的周期内有节奏地变亮和变暗。资料来源:美国国家航空航天局、欧洲航天局、哈勃遗产小组(STScI/AURA)-哈勃/欧洲合作组织尽管仙王座非常重要,但研究仙王座却充满挑战。它们的脉动和与伴星的潜在相互作用产生了复杂的模式,难以准确测量。多年来使用的不同仪器和方法导致数据不一致,使我们对这些恒星的了解更加复杂。EPFL的天体物理学家理查德-安德森(Richard I. Anderson)说:"利用高清测速仪追踪仙王座的脉动,可以让我们深入了解这些恒星的结构以及它们是如何演变的。尤其是对恒星沿视线扩张和收缩速度的测量即所谓的径向速度为从太空进行精确亮度测量提供了重要的对应数据。然而,由于径向速度的收集成本高昂,而且很少有仪器能够收集到高质量的径向速度,因此一直迫切需要高质量的径向速度。"安德森现在带领一个科学家团队,通过"半人马座半径速度项目"(VELOCE)来实现这一目标。"半人马座半径速度项目"是一个大型合作项目,历时12年,在2010年至2022年期间利用先进的光谱仪收集了258颗半人马座径向速度的18000多个高精度测量数据。"这个数据集将作为一个锚,把不同望远镜的仙王座观测数据跨时间地联系起来,希望能激发社区的进一步研究"。VELOCE 是洛桑联邦理工学院、日内瓦大学和鲁汶大学合作的成果。它以智利的瑞士欧拉望远镜和拉帕尔马的佛兰德墨卡托望远镜的观测数据为基础。安德森在日内瓦大学攻读博士学位期间开始了 VELOCE 项目,在美国和德国担任博士后期间继续开展该项目,现在已在洛桑联邦理工学院完成了该项目。安德森的博士生乔尔达诺-维维亚尼(Giordano Viviani)为 VELOCE 数据的发布发挥了重要作用。Viviani说:"测量结果具有极高的精确度和长期稳定性,这使我们能够对仙王座类天体如何发生脉动有了有趣的新认识。脉动导致视线速度变化高达 70 公里/秒,即大约 25 万公里/小时。我们对这些变化的测量精度通常为 130 千米/小时(37 米/秒),在某些情况下甚至达到 7 千米/小时(2 米/秒),这大致相当于人类快速行走的速度。"为了获得如此精确的测量结果,VELOCE 研究人员使用了两台高分辨率分光仪,它们可以分离和测量电磁辐射的波长:北半球的HERMES和南半球的CORALIE。除 VELOCE 外,CORALIE 因发现系外行星而闻名,而 HERMES 则是恒星天体物理学的主力。这两台摄谱仪探测到了仙王座星光的微小变化,表明了它们的移动。研究人员使用了先进的技术来确保测量结果的稳定性和准确性,对任何仪器漂移和大气变化进行校正。安德森解释说:"我们利用多普勒效应测量径向速度。这与警察用来测量你的速度的效果相同,也是你从救护车接近或远离你时的音调变化中了解到的效果。"VELOCE 观测以前所未有的精确度追踪仙王座恒星的膨胀和收缩。左图:观测到的仙王座原型 Delta Cephei 星因脉动而改变波长的光谱。右图:由 VELOCE 测得的径向速度曲线,并用星形符号显示了恒星的变异大小(不按比例)。资料来源:R.I. Anderson(EPFL)VELOCE 项目发现了一些有关仙王座恒星的迷人细节。例如,VELOCE 数据提供了迄今为止最详细的赫兹普隆级数恒星脉动中的一种模式显示了以前不为人知的双峰凸起,与脉动恒星的理论模型相比,这些数据将为更好地理解仙王座恒星的结构提供线索。研究小组发现,几颗仙王座恒星的运动表现出复杂的调制变异性。这意味着这些恒星的径向速度变化无法用简单、规律的脉动模式来解释。换句话说,虽然我们预期类仙王座会以可预测的节奏进行脉动,但 VELOCE 数据却揭示了这些运动中额外的、意想不到的变化。这些变化与传统上用来描述脉动的理论模型并不一致。安德森的博士后亨利卡-内策尔(Henryka Netzel)说:"这表明这些恒星内部存在着更复杂的过程,比如恒星不同层之间的相互作用,或者额外的(非径向)脉动信号,这可能为通过星震学确定仙王座恒星的结构提供了机会。基于 VELOCE 的此类信号的首次探测结果已在一篇论文中进行了报告(论文正在出版中)。"这项研究还确定了 77 颗属于双星系统(两颗恒星绕着对方运行)的仙王座恒星,并发现了另外 14 颗候选恒星。由安德森的前博士后 Shreeya Shetye 领导的另一篇论文详细描述了这些系统,加深了我们对这些恒星如何演化和相互作用的了解。Shetye 说:"我们发现,大约每三颗仙王座恒星中就有一颗有一个看不见的伴星,我们可以通过多普勒效应来确定它的存在。"安德森说:"了解仙王座的性质和物理原理非常重要,因为它们告诉我们恒星是如何演化的,也因为我们依靠它们来确定距离和宇宙膨胀率。此外,VELOCE 为欧空局盖亚(Gaia)飞行任务的类似但不太精确的测量提供了最好的交叉检验,盖亚飞行任务最终将进行最大规模的仙王座径向速度测量。"编译自/ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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破解哈勃张力:韦伯的精确测量揭示了宇宙膨胀之谜 NGC 5468 是一个距离地球约 1.3 亿光年的星系,这张照片结合了哈勃和詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据。这是哈勃发现的最远的仙王座变星星系。它们是测量宇宙膨胀率的重要里程标。根据仙王座变星计算出的距离与该星系中的一颗Ia型超新星相互关联。Ia 型超新星的亮度非常高,它们被用来测量远超过蛇夫座星系范围的宇宙距离,从而将宇宙膨胀率的测量扩展到更深的空间。资料来源:NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)宇宙膨胀的速度,即哈勃常数,是了解宇宙演化和最终命运的基本参数之一。然而,用各种独立的距离指标测得的哈勃常数值与根据宇宙大爆炸余辉预测的值之间存在着持续的差异,这种差异被称为"哈勃张力"(Hubble Tension)。NASA/ESA/CSA 詹姆斯-韦伯太空望远镜证实,哈勃太空望远镜敏锐的目光一直都是正确的,消除了人们对哈勃测量结果的疑虑。哈勃的历史成就建造NASA/ESA 哈勃太空望远镜的科学依据之一是利用其观测能力为宇宙膨胀率提供一个精确的数值。在哈勃望远镜于 1990 年发射之前,地面望远镜的观测结果存在巨大的不确定性。根据推导出的宇宙膨胀率数值,宇宙的年龄可能在 100 亿年到 200 亿年之间。在过去的 34 年中,哈勃已经将这一测量值的精确度缩减到了百分之一以下,将两者的年龄差值缩小到了 138 亿年。哈勃通过测量被称为"仙王座变星"的重要里程碑,完善了所谓的"宇宙距离阶梯",从而实现了这一目标。然而,哈勃值与其他测量结果并不一致,其他测量结果表明宇宙在大爆炸后膨胀得更快。这些观测数据是由欧空局普朗克卫星对宇宙微波背景辐射绘制的地图得出的,宇宙微波背景辐射是宇宙从大爆炸冷却下来后结构演变的蓝图。解决这个难题的简单办法是说,也许哈勃的观测结果是错误的,因为它对深空尺度的测量出现了误差。詹姆斯-韦伯太空望远镜的出现,让天文学家能够核对哈勃的观测结果。韦伯对仙王座的红外观测结果与哈勃的光学数据一致。韦伯证实了哈勃望远镜敏锐的目光一直都是正确的,消除了对哈勃测量结果的任何疑虑。这些并排图像的中心是一种特殊的恒星,它是测量宇宙膨胀速度的里程标仙王座变星。这两幅图像的像素非常高,因为它们是一个遥远星系的放大图。每个像素代表一颗或多颗恒星。詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)拍摄的图像在近红外波段要比哈勃望远镜(主要是可见光-紫外光望远镜)清晰得多。通过韦伯更清晰的视野来减少杂波,仙王座就能更清晰地显现出来,消除任何潜在的混淆。韦伯望远镜被用来观测一个仙王座样本,并证实了之前哈勃观测的准确性,而哈勃观测是精确测量宇宙膨胀速度和年龄的基础。图片来源:NASA、ESA、CSA、STScI、Adam G. Riess(JHU、STScI)宇宙奥秘与理论挑战最重要的一点是,与早期宇宙的膨胀相比,近邻宇宙中发生的事情之间所谓的哈勃张力(Hubble Tension)仍然是宇宙学家耿耿于怀的难题。空间结构中可能存在一些我们还不了解的东西。解决这一差异需要新的物理学吗?还是由于确定空间膨胀率的两种不同方法之间存在测量误差?哈勃和韦伯现在已经联手进行了明确的测量,进一步证明了是其他东西而不是测量误差在影响膨胀率。宇宙观测的进展巴尔的摩约翰-霍普金斯大学的物理学家亚当-里厄斯说:"在消除了测量误差之后,剩下的就是我们误解了宇宙这一真实而令人兴奋的可能性。亚当因与他人共同发现了宇宙膨胀正在加速这一事实而获得诺贝尔奖,这一现象现在被称为'暗能量'。"作为交叉检验,2023 年的首次韦伯观测证实,哈勃对膨胀宇宙的测量是准确的。然而,为了缓解"哈勃张力",一些科学家推测,随着我们对宇宙的深入观察,测量中看不见的误差可能会增加并变得明显。特别是,恒星拥挤可能会系统地影响对更遥远恒星亮度的测量。合作验证与未来方向亚当领导的 SH0ES(用于暗能量状态方程的超新星 H0)小组利用韦伯望远镜获得了更多的观测数据,这些天体是关键的宇宙里程碑标记,被称为仙王座变星,现在可以与哈勃数据进行关联。亚当说:"我们现在已经跨越了哈勃观测到的整个范围,我们可以非常有把握地排除测量误差是哈勃张力的原因。"团队在 2023 年进行的前几次韦伯观测成功表明,哈勃在牢固确立所谓宇宙距离阶梯第一级的保真度方面走在了正确的道路上。这幅插图展示了天文学家用来计算宇宙随时间膨胀速度的三个基本步骤,这个值被称为哈勃常数。所有这些步骤都涉及建立一个强大的"宇宙距离阶梯",首先测量附近星系的精确距离,然后再测量越来越远的星系。这个"阶梯"是一系列对不同种类天体的测量结果,研究人员可以利用这些天体的固有亮度来计算距离。对于较短的距离来说,最可靠的是仙王座变星,这些恒星以可预测的速率脉动,从而显示出它们的内在亮度。最近,天文学家利用哈勃太空望远镜观测了附近大麦哲伦云中的 70 个仙王座变星,对该星系进行了最精确的距离测量。天文学家将附近的仙王座变星的测量结果与更远星系的测量结果进行比较,这些星系还包括另一个宇宙尺度被称为Ia型超新星的爆炸恒星。这些超新星比仙王座变星亮得多。天文学家用它们作为"里程标",来测量从地球到遥远星系的距离。每一个标记都建立在"阶梯"的前一步之上。通过使用不同种类的可靠"里程标"来扩展"阶梯",天文学家可以测出宇宙中非常遥远的距离。天文学家将这些距离值与整个星系的光线测量值进行比较,由于空间的均匀膨胀,星系的光线会随着距离的增加而逐渐变红。这样,天文学家就可以计算出宇宙膨胀的速度:哈勃常数。图片来源:NASA、ESA 和 A:NASA, ESA and A. Feild (STScI)宇宙距离阶梯的复杂性天文学家使用各种方法来测量宇宙中的相对距离,具体取决于所观测的天体。这些技术统称为宇宙距离阶梯每一级阶梯或测量技术都依赖于前一级阶梯的校准。但一些天文学家认为,沿着"第二梯级"向外移动,如果仙王座的测量结果随着距离的增加而变得不那么精确,那么宇宙距离的阶梯可能会变得不稳固。出现这种不准确的情况可能是因为仙王座的光线可能会与邻近恒星的光线混合在一起随着距离的增加,这种效应可能会变得更加明显,因为天空中的恒星会挤在一起,彼此变得更加难以区分。观测方面的挑战在于,过去哈勃拍摄的这些更遥远的仙王座变星的图像,在我们和它们的宿主星系之间的距离越来越远时,看起来与邻近的恒星更加拥挤和重叠,因此需要仔细考虑这种效应。中间的尘埃使可见光测量的确定性变得更加复杂。韦伯望远镜能穿过尘埃,自然地将倒灶系恒星与邻近恒星隔离开来,因为它在红外波段的视力比哈勃望远镜更敏锐。"韦伯望远镜和哈勃望远镜的结合为我们提供了两全其美的解决方案。我们发现,当我们沿着宇宙距离阶梯爬得更远时,哈勃的测量结果仍然是可靠的,"亚当说。新的韦伯观测结果包括八个 Ia 型超新星的五个宿主星系,共包含 1000 个蛇夫座天体,并延伸到蛇夫座天体测量结果最远的星系距离 1.3 亿光年的 NGC 5468。"这横跨了我们用哈勃测量的全部范围。因此,我们已经走到了宇宙距离阶梯第二级的尽头,"合著者、巴尔的摩太空望远镜科学研究所的加甘迪普-阿南德(Gagandeep Anand)说,该研究所为美国国家航空航天局(NASA)运营韦伯望远镜和哈勃望远镜。哈勃和韦伯对"哈勃张力"的确认,... PC版: 手机版:

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巨型星系爆炸高分辨率地图揭示宇宙污染的动力学 NGC 4383星系正在奇异地演变。气体正以每秒超过 200 公里的速度从它的核心流出。这种神秘的气体喷发有一个独特的原因:恒星形成。资料来源:ESO/A.Watts et al.研究人员 Adam Watts 博士和 Barbara Catinella 教授讨论太空中的发现和气体污染问题。资料来源:ICRAR主要作者、西澳大利亚大学国际射电天文研究中心(ICRAR)的亚当-沃茨(Adam Watts)博士说,外流是银河系中心区域强大恒星爆炸的结果,可能会喷射出大量的氢和更重的元素。喷射出的气体质量相当于 5000 多万个太阳。瓦茨博士说:"由于外流很难被探测到,因此人们对外流的物理特性知之甚少。喷射出的气体中含有相当丰富的重元素,这为我们提供了一个独特的视角,观察流出气体中氢和金属之间复杂的混合过程。在这种特殊情况下,我们检测到了氧、氮、硫和许多其他化学元素"。气体外流对于调节星系形成恒星的速度和持续时间至关重要。这些爆炸喷出的气体会污染星系内恒星之间的空间,甚至星系之间的空间,并可能永远漂浮在星系间介质中。高分辨率地图是利用MAUVE 勘测的数据绘制的,ICRAR 的研究人员 Barbara Catinella 教授和 Luca Cortese 教授是这项研究的共同作者。这次观测使用了位于智利北部的欧洲南方天文台甚大望远镜上的MUSE积分场摄谱仪。安装在智利甚大望远镜(VLT)上的 MUSE 仪器。资料来源:A. Tudorica/ESOCatinella 教授说:"我们设计 MAUVE 的目的是研究气体外流等物理过程如何帮助阻止星系中恒星的形成。NGC 4383 是我们的第一个目标,因为我们怀疑有非常有趣的事情正在发生,但数据超出了我们的预期。我们希望,未来 MAUVE 的观测能以精致的细节揭示气体外流在局部宇宙中的重要性"。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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VTFS 243:没有爆炸迹象却神秘从夜空中消失的不寻常恒星系统

VTFS 243:没有爆炸迹象却神秘从夜空中消失的不寻常恒星系统 艺术家眼中的双星系统 VTFS 243。图片来源:ESOL.Calçada CC BY 4.0有一天,位于太阳系中心的恒星太阳将开始膨胀,直到吞没地球。然后,它将变得越来越不稳定,直到最终收缩成一个小而致密的天体,即白矮星。然而,如果太阳的重量级大约是它的八倍或更多,那么它很可能会在一声巨响中作为一颗超新星灭亡。它的坍缩将最终导致爆炸,以巨大的力量向太空喷射能量和质量,然后留下一颗中子星或一个黑洞。虽然这些都是关于大质量恒星如何死亡的基本知识,但要了解星空,特别是这些恒星壮观的死亡过程,还有很多事情要做。双星系统 VFTS 243 位于银河系外围的矮星系"大麦哲伦云"中。麦哲伦云是银河系的卫星星系。这些矮星系围绕银河中心运行,只有在南半球才能看到。在这里,它们出现在位于智利帕拉纳尔的欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)的辅助望远镜上方。图片来源:J. C. Muñoz/ESO哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所(Niels Bohr Institute)的天体物理学家们的新研究提出了迄今为止最有力的证据,证明质量非常大的恒星可以比超新星更隐蔽地死亡。事实上,他们的研究表明,只要恒星的质量足够大,它的引力就会如此强大,以至于在死亡时不会发生爆炸。相反,恒星会经历所谓的完全坍缩。"我们认为,恒星的核心会在自身重量的作用下坍缩,大质量恒星在其生命的最后阶段也会发生这种情况。但是,这种坍缩并不是像太阳质量的八倍以上的恒星所预期的那样,最终导致一颗明亮的超新星爆炸,从而使银河系变得更加耀眼,而是持续坍缩,直到恒星变成一个黑洞,"这项研究的第一作者亚历杭德罗-维格纳-戈麦斯(Alejandro Vigna-Gómez)解释说,他在这项研究启动时还是尼尔斯玻尔研究所的一名博士后。事实与神话:消失的恒星近代以来,人们观测到许多恒星莫名其妙地消失了。由天体物理学家克里斯-科查内克领导的"关于虚无的调查"就是积极寻找消失的恒星及其消失原因的研究工作的一个例子。好奇的读者还可以深入了解历史描述。这些描述通常与突然发光的恒星消失有关,与超新星的情形一致。但也有其他关于恒星突然消失的故事,比如与昴宿星团(俗称七姐妹)有关的希腊神话。昴宿星团神话描述了泰坦阿特拉斯和仙女昴宿星的七个女儿。根据这个神话,他们的一个女儿嫁给了一个人类,然后躲了起来,这为我们为什么只能在昴宿星团中看到六颗星星提供了一个非常不科学但却美丽的解释。这一发现与近年来引起天文学家兴趣的恒星消失现象有关,它可能为这类现象提供了一个明显的例子和一个合理的科学解释。"如果有人仰望一颗正在经历完全坍缩的可见恒星,那么在适当的时候,可能就会像看到一颗恒星突然熄灭,从天际消失一样。坍缩是如此彻底,以至于没有爆炸发生,没有任何东西逃逸,人们也不会在夜空中看到任何明亮的超新星。实际上,天文学家近来已经观测到了明亮闪耀的恒星突然消失的现象。"亚历杭德罗-维格纳-戈麦斯(Alejandro Vigna-Gómez)说:"我们无法确定两者之间是否存在联系,但我们通过分析 VFTS 243 获得的结果让我们更接近一个可信的解释。"韦伯太空望远镜拍摄的VTFS 243所在的塔兰图拉星云。图片来源:NASA、ESA、CSA 和 STScI没有爆炸迹象的不寻常恒星系统最近,我们在银河系边缘观测到了一个不寻常的双星系统VFTS 243,这一发现促使我们进行了研究。在这个系统中,一颗大恒星和一个质量大约是太阳10倍的黑洞相互环绕运行。几十年前,科学家们就已经知道银河系中存在这样的双星系统,其中一颗恒星已经变成了黑洞。但最近在银河系外的大麦哲伦云中发现的 VFTS 243,才是真正特别的东西。连光都无法从黑洞中逃逸。因此,黑洞无法被直接观测到。不过,有些黑洞可以被识别出来,因为围绕它们旋转的气体会释放出大量能量。还有一些黑洞,比如 VFTS 243,则可以通过它们对与其运行的恒星的影响来观测。一般来说,天文学家认为黑洞有三种类型:恒星黑洞比如 VFTS 243 系统中的恒星黑洞是质量超过太阳 8 倍的恒星坍缩时形成的。科学家们相信,仅在我们的银河系中就可能有多达 1 亿个这样的黑洞。超大质量黑洞质量是太阳的 10 万到 100 亿倍被认为位于几乎所有星系的中心。人马座 A* 是位于银河系中心的超大质量黑洞。长期以来,中质量黑洞(IMBH)质量是太阳的 100-100,000 倍一直是一个缺失的环节。近年来,出现了一些可信的候选者。还有一些理论描述了尚未被发现的其他类型的黑洞。其中一种,即所谓的原始黑洞,应该是在宇宙早期形成的,理论上可能非常微小。"通常情况下,恒星系统中的超新星事件发生后可以通过各种方式进行测量。但是,尽管VFTS 243包含一颗坍缩成黑洞的恒星,却找不到爆炸的痕迹。VFTS 243 是一个非同寻常的系统。"亚历杭德罗-维尼亚-戈麦斯(Alejandro Vigna-Gómez)说:"自恒星坍缩成黑洞以来,该系统的轨道几乎没有发生变化。"研究人员对观测数据进行了分析,以寻找恒星系统在过去经历过超新星爆炸后可能出现的一系列迹象。一般来说,他们发现这种事件的证据较少,难以令人信服。这个系统并没有显示出明显的轨道物体加速的迹象。它的轨道也非常对称,几乎是完美的圆形,前恒星核心坍缩时释放能量的残留迹象表明,它的能量类型与完全坍缩一致。尼尔斯-玻尔研究所的艾琳-坦博拉教授也参与了这项研究,她说:"我们的分析明确指出,VFTS 243 中的黑洞很可能是立即形成的,能量主要是通过中微子流失的。"未来研究的基准系统坦波拉教授认为,VFTS 243 系统为最终将一系列天体物理学理论和模型计算与实际观测结果进行比较提供了可能。她预计,该恒星系统将对研究恒星演化和坍缩具有重要意义。"我们的研究结果突出表明,VFTS 243 是迄今为止通过全坍缩形成恒星黑洞理论的最佳观测案例。这是对这些模型的一次重要的现实检验。我们当然希望这个系统能成为未来研究恒星演化和坍缩的重要基准,"教授说。由于超新星在爆炸过程中会不对称地释放物质,因此它的狂暴力量会直接影响新生的中子星或黑洞。这就是研究人员所说的"原生踢"。这种踢力会使紧凑的天体加速。通常,"原生踢"会使中子星的可测量速度达到每秒 100-1000 公里。黑洞的速度预计会小一些,但仍然很显著。由于 VFTS 243 系统中的黑洞似乎只被加速到了大约 4 公里/秒的速度,因此没有迹象表明它受到了巨大的原生撞击,就像它经历了超新星撞击所预期的那样。同样,一个恒星系统轨道的对称性通常会显示出它受到过超新星剧烈爆炸冲击的迹象,因为会发生物质喷射。而研究人员却发现了对称性。"VFTS的轨道几乎是圆形的,我们的分析表明,在坍缩过程中没有出现大的不对称迹象。这再次表明没有发生爆炸,"Alejandro Vigna Gomez 说。通过分析双星系统的轨道,研究小组还计算出了黑洞形成过程中释放的质量和能量。他们的估计符合这样一种假设,即恒星坍缩过程中产生的较小冲击力不是由重子物质(包括中子和质子)造成的,而是由所谓的中微子造成的。中微子的质量很小,相互作用非常微弱。这从另一个角度表明,该系统并没有经历爆炸。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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