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天文新知

破案!首度在白矮星周圍發現極端熾熱氣體形成個磁層結構

又一樁懸宕數十年之久的天文謎題破案了!英國萊斯特大學(University of Leicester)的Nicole Reindl領軍的跨國研究團隊在一顆編號為GALEXJ014636.8+323615的白矮星周圍發現極端熾熱的磁層(magnetosphere),這是首度在白矮星周圍發現這類結構。

Colour image of the white dwarf GALEXJ014636.8+323615 from the Sloan Digital Sky Survey. Credit: Sloan Digital Sky Survey.

白矮星是質量與太陽類似的恆星演化到生命末期時,外層大氣向外擴散後,殘留的核心部分演化而成的高溫緻密天體,典型白矮星的表面溫度可高達攝氏100,000度左右,而後將經歷數十億年的時間才能緩緩冷卻。

有些白矮星對天文學家而言是個高難度挑戰題,因為天文學家在這些白矮星上偵測到高游離重元素(highly ionised metal)。在天文上,只要是氫(原子序1)與氦(原子序2)以外的其他所有元素都稱為重元素或金屬元素(metal),不是只有鐵鈉等傳統意義上的金屬元素。而此處所謂的高游離,是指重元素所擁有的電子幾乎全部被跩走,僅餘1顆電子而已。要達到這樣極端的高游離程度,必須處在攝氏100萬度的高溫環境中,這個溫度比表面溫度最熱的白矮星還要高許多。

Reindl等人利用位在西班牙的3.5米卡拉阿托望遠鏡(Calar Alto telescope)觀測GALEXJ014636.8+323615的光譜。這顆白矮星位在三角座方向,距離地球約1200光年。這些天文學家發現光譜中高游離重元素的譜線有6個多小時的變化周期,和這顆白矮星的自轉周期相同。Reindl等人認為這是GALEXJ014636.8+323615周圍的磁場,也就是所謂的「磁層」(下圖中綠色部分),將來自白矮星表面的物質禁錮住了,而後磁層中的震波將這些物質加熱到極高溫的程度,剝奪幾乎所有重元素原子的電子。而這些極度高溫的高游離粒子最後便在熾熱白矮星(下圖中白色部分)周圍形成甜甜圈狀的結構(下圖中紫色部分)。
Artist’s impression of the hot white dwarf GALEXJ014636.8+323615 (white) and its ultra-hot circumstellar magnetosphere (purple) trapped with the magnetic field (green). Credit: N. Reindl. Click for a larger image

這顆白矮星的磁場的磁軸(magnetic axis)就是甜甜圈結構的中心軸,與它的自轉軸(spin axis)並不重合,而是有個傾斜角度。這意味著當白矮星自轉時,從地球方向所見到的被震波加熱的極高溫物質的數量也會隨之改變。

數十年來,天文學家發現愈來愈多這類令人費解的恆星,卻一直沒有線索可以解釋這些高游離物質究竟來自何處。而Reindl等人最終證明了,這個現象可以用磁層震波加熱模型來解釋,解開了這個懸宕數十年之久的謎題。

其他類型的恆星周圍也有發現磁層,但GALEXJ014636.8+323615卻是第一次在白矮星周圍發現這樣的結構。而這項發現也讓天文學家們認識到另一點:如果忽略了這個磁層結構的話,將導致測量到的白矮星溫度、質量等基本性質都會是錯的,那麼其他後續研究必定也將跟著出問題。

天文學家認為可能有約1/4的白矮星會經歷這樣的磁層捕陷後被震波加熱到極高溫的階段。Reindl等人計畫將更進一步建立細緻模型,並研究更多這類有趣的天體,以完善這個領域的認知。
資料來源:Royal Astronomical Society

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