仙后座A超新星遗迹中氯与钾的富集：XRISM高分辨率光谱揭示奇Z元素核合成新机制

《Nature Astronomy》：Chlorine and potassium enrichment in the Cassiopeia A supernova remnant

本期推荐利用XRISM（X射线成像与光谱任务）的高分辨率微热量计Resolve，对银河系最年轻的核心坍缩超新星遗迹仙后座A开展奇Z元素（磷、氯、钾）的系统性观测。研究首次在>6σ置信水平清晰探测到钾的Heα发射线，发现氯/硫和钾/氩比值接近太阳值（分别为1.0±0.1和1.3±0.2），显著高于标准大质量恒星模型预测。结果表明恒星旋转、双星相互作用或壳层合并等前身星活动是奇Z元素合成关键机制，为理解生命必需元素的宇宙起源提供新视角。

　　

宇宙中比氢和氦更重的元素主要经由恒星内部的核聚变过程产生，并在超新星爆发时被抛射至星际空间。有趣的是，原子序数为偶数的元素（如碳、氧、硅）通常较丰富，而奇Z元素（如磷、P、氯、Cl、钾、K）的丰度显著偏低。这种差异源于核合成过程对偶数原子核的偏好，使得奇Z元素的产量高度依赖于恒星物理的细节。尤其值得关注的是，磷、氯、钾等元素对行星形成和生命起源至关重要，但其宇宙学起源仍存在巨大争议。当前超新星爆发模型对这些元素的预测值较银河系恒星观测值系统性偏低近一个量级，暗示现有理论模型可能缺失了关键的奇Z元素核合成机制。

为破解这一难题，XRISM国际合作团队利用其搭载的Resolve微热量计，对仙后座A超新星遗迹开展高分辨率X射线光谱观测。该设备具备<7 eV的能量分辨率，可精准探测1.7–10 keV能段内电离态奇Z元素的特征发射线。研究团队于2023年12月对遗迹的东南（SE）、西（W）和北（N）区域进行空间分辨光谱分析，发现奇Z元素分布呈现显著不均匀性：氯和钾的Heα发射线在富含氧的东南和北部区域被清晰探测（置信度分别≥5σ和>6σ），而在以铁、硅为主的西部区域仅呈现微弱信号。

通过双组分非平衡电离（NEI）等离子体模型拟合，研究团队测得东南区域氯/硫和钾/氩的丰度比值为（Cl/S）/(Cl/S)_⊙ = 1.0±0.1和（K/Ar）/(K/Ar)_⊙ = 1.3±0.2（下标⊙表示太阳值）。该结果与标准大质量恒星（13–25 M_⊙）超新星模型预测存在显著差异，后者对钾和氯产量的低估可达数倍。

为探究奇Z元素增强机制，研究团队将观测结果与多种核合成模型对比：包括非旋转单星模型、300 km/s高速旋转模型、壳层合并候选模型及双星相互作用模型。结果显示，壳层合并和双星模型能更好地重现观测到的氯/硫和钾/氩比值，其中部分模型甚至预测了更高的奇Z元素产量。值得注意的是，仙后座A前身星极低的氖/氧比值（Ne/O≈0.1太阳值）与典型超新星遗迹（Ne/O≈1太阳值）形成鲜明对比，这进一步支持该恒星曾经历特殊的演化过程（如旋转或壳层合并），这些过程可能同时导致氖耗散和奇Z元素富集。

⊙非旋转单星模型预测范围。'>

技术方法方面，研究依托XRISM卫星的Resolve微热量计，在2023年12月对仙后座A进行两次定点观测（总曝光量347.9 ks）。通过增益重建算法将能量尺度误差控制在5.9 keV处<0.04 eV，采用空间分辨光谱法分析特定像素区域（东南区选取6个钾发射等效宽度大的像素）。使用SPEX和Xspec软件包，以双组分pshock等离子体模型拟合1.6–5.0 keV能谱，固定柱密度N_H，自由拟合硅至钙元素丰度。通过对比AtomDB与SPEX原子数据库、变换能段（3.0–4.2 keV窄带分析）及添加幂律成分等多重验证，确保钾/氩比值测量的稳健性（系统误差<10%）。

元素空间分布特征

通过对比东南、西、北三区域光谱，发现奇Z元素发射集中分布于氧富集区，与中等质量元素（硅、硫、氩）的空间分布高度一致。西部区域因主导铁族元素且受非热辐射影响，奇Z元素信号微弱。

氯与钾的丰度比值

东南区域氯/硫比值接近太阳值，钾/氩比值显著超太阳（1.3倍）。该比值在不同能段拟合、原子数据库选择等系统误差检验下保持稳定，证实其源于超新星抛射物而非星际介质污染。

模型对比与机制约束

壳层合并模型（如Sukhbold等人19.8 M_⊙模型）和双星相互作用模型（Farmer等人模型）能同时再现高钾/氩和氯/硫比值，而单纯增加金属丰度（Roberti等人[Fe/H]=0.3模型）或旋转效应（Limongi & Chieffi模型）均不足以解释观测值。

前身星活动关联

奇Z元素富集区与氧富集 ejecta 的空间相关性，以及仙后座A特有的低氖丰度、包层缺失（IIb型超新星特征）等现象，共同指向前身星经历剧烈内部混合过程。对流-反应核合成（如O/C壳层合并）可能通过增强中子俘获反应通道提升奇Z元素产量。

本研究通过XRISM的高分辨率光谱观测，首次在超新星遗迹中实现对钾元素的清晰探测（>6σ），并精确测定氯/硫、钾/氩等关键奇Z元素比值。观测结果明确指向前身星的特殊演化机制（如壳层合并、双星相互作用或快速旋转）是奇Z元素超太阳丰度的主要成因。这一发现不仅为解决“奇Z元素缺失难题”提供直接观测证据，更深化了对大质量恒星晚期演化过程中元素合成动力学的理解。未来通过对更多超新星遗迹的类似观测，有望构建完整的奇Z元素宇宙演化图景，揭示生命必需元素的恒星起源之谜。