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作者：王善欽（南京大學，加州大學伯克利分校） 編輯：明天 宇宙中一些天體爆炸后，會發出強烈的光芒，最亮時達到太陽亮度的1億倍甚至千億倍，它們被稱為“超新星”。超新星爆發之后先變亮再慢慢變暗，整個過程一般只會持續大約幾個月。然而，2014年秋，天文學家發現了一個奇怪的超新星，在此后的兩年時間里，它反復變暗再變亮，至少反復了5次。更奇怪的是，它在60年前可能還爆發過。一篇發表在最新一期《自然》（Nature）期刊上的論文認為，當前的理論都很難解釋這個超新星的奇特行為，它將改寫教科書中關于恒星演化與爆炸有關的理論。 捕獵史上最奇怪超新星 2014年9月下旬，位于美國加州帕洛瑪山上的48英寸（1.22米）的Oschin望遠鏡發現了一顆距離我們約5億光年的超新星，它被命名為“iPTF14hls”。 iPTF14hls所在的星系的四張圖像（圖a、b、c、d），a、b分別為爆發前的圖像，c為Oschin望遠鏡發現超新星時的圖像，d為減除背景之后的超新星圖像。圖片來源：參考文獻[1] 這是一顆正在變暗的超新星，但是后續觀測表明它在變暗后又變亮了，這引起了天文學家的強烈興趣?？偛课挥诿绹又莸腖as Cumbres天文臺（LCO）的Iair Arcavi組織了一個國際合作小組，對這顆奇怪的超新星進行了后續觀測與分析。參與這項研究的人員除了美國的Iair Arcavi、D. Andrew Howell 和Daniel Kasen等人之外，還有中國的王曉鋒、黃芳、芮黎明、李文雄、李志彤、張天萌和張居甲（全部人員的名單見參考文獻[1]）。使用的光學望遠鏡主要是LCO望遠鏡、帕洛瑪天文臺的1.22米、1.52米望遠鏡與清華大學-中國國家天文臺的0.8米望遠鏡。 Oschin望遠鏡的圓頂（左）和望遠鏡內的72英寸主鏡面（右）。圖片來源：Palomar/Caltech 持續的觀測表明：這個超新星的亮度變化曲線至少有5個峰，已經持續明亮了600多天，是“史上保持明亮時間最長的超新星”?，F在，Arcavi與合作者們正在繼續監測這個超新星的亮度變化，看看它是否還會繼續變亮。同時，他們調用哈勃太空望遠鏡來觀測這個超新星所在的位置，以期獲得更多細節信息。 金色曲線是iPTF14hls的亮度變化曲線。中間有段時間被太陽擋住，導致觀測中斷。下方淺藍色線為一類普通超新星的亮度變化曲線，用來進行比較。圖片來源：LCO Arcavi等人還發現，就在這個超新星所在的同一個位置，1954年曾經變亮了一次，到1993年再拍攝的圖像已經比1954年的暗了。超新星不可能在爆炸后再次爆炸，因此，1954年觀測到的那次爆發不是超新星爆炸，而是恒星噴發出的大量物質撞擊到此前噴發出的物質，發出強光，其實恒星還活著。60年后，產生了2014年被觀測到的那次爆發，恒星才真的炸毀了。 1954年拍攝的底片表明在這個超新星的位置上生過閃耀，1993年拍攝的底片中的同一位置比1954年的暗。圖片來源：參考文獻[1] 這樣，就有兩個大問題需要解答：這個超新星的能源是什么？是什么力量導致了1954年觀測到那次爆發？ 這個超新星的能源是什么？ 天文學家首先面臨的問題是：這個史上最奇怪的超新星的能源是什么？我們先來簡單介紹能夠為超新星提供亮度的主要能源（括號里描述對應的亮度變化曲線的特征）： 1、超新星內部產生的沖擊波加熱超新星物質的外殼之后，熾熱的外殼冷卻（單峰）； 2、放射性鎳56與鈷56衰變（單峰）； 3、超新星殘骸中心的中子星高度磁化，變為“磁星”，發出輻射（單峰）； 4、超新星外殼中大量氫原子被被電離，形成氫離子，然后氫離子與電子重新結合為氫原子（約100天內保持亮度不變的“平臺”）； 5、超新星噴射物撞擊此前跑出去的物質（撞擊幾次，形成幾個峰）； 6、恒星噴發出的多個物質殼中，后面的追上前面的，產生碰撞（撞擊幾次，形成幾個峰）； 7、星體中心形成的黑洞，將回落下去的物質吞入，噴發出的噴流將能量傳遞給超新星物質（一般為單峰）。 首先，以上的第1、2、3、4類能源都只形成單峰。1、2、3、4的任意組合也最多形成雙峰結構，因此前4個能源模型及其組合模型都被排除了。再看5和6，多次碰撞一般會產生X射線輻射和射電輻射，但觀測沒有發現這些輻射，因此，Arcavi等人認為，能夠解釋這個超新星的模型可能就是上面列的第7個模型。 但是，黑洞模型得到的亮度變化曲線也是單峰的。不過，如果這個黑洞“吃東西”時忽快忽慢，就會導致超新星忽明忽暗。這樣，能源問題應該是解決了，雖然對那個黑洞提出的要求高了點、模型也確實有些奇怪。 恒星內部形成黑洞，恒星內部旋轉的物質堆積成一個環，掉入黑洞，垂直于環的方向上產生噴流（jet），將能量傳遞給周圍的物質，將噴流附近的物質加熱，使其成為超新星（來源：Macfadyen）。 爆發前的物質噴發： 挑戰現有的認知 解答了能源問題之后，就要解答“是什么力量導致了1954年觀測到那次爆發？”這個問題了。當前最有可能解釋超新星爆發前的噴發現象的理論，是所謂的“脈沖對不穩定”機制——質量超過95個太陽的恒星，由于內部溫度過高，在演化的某個階段，核心產生的一部分伽瑪射線變為正反中微子對，逃出星體，導致恒星收縮、升溫，引發不穩定噴發。因為涉及到正反中微子對，這個過程被稱為“對不穩定”。如果恒星質量在95-130個太陽質量之間，“對不穩定”過程會將星體的外層拋出。這樣的過程每隔幾年到幾十年就會發生一次，直到最后恒星徹底爆炸，就像是脈搏跳動，因此被稱為“脈沖對不穩定”。 因此，可以假設此前這個恒星經歷過兩次脈沖式噴發，后面的的物質碰撞到前面物質，就可以解釋1954年觀測到的那次爆發。然后恒星在60年后徹底炸毀，成為超新星。 物質殼的碰撞。大質量恒星在死亡之前一些年的時間里因為“脈沖對不穩定性”而先后噴發出兩個物質殼，如果后面的殼的速度大于前面的，就會追趕碰撞。此圖顯示了兩個物質殼碰撞過程模擬圖的“右上角”。物質殼（包括了紅色結點表示的碰撞碎片）的半徑是太陽-地球距離的500倍（750億千米）。不同的顏色表示不同的密度，最高密度是10的-11次方（紅色表示），最低密度是10的-16次方（暗藍色表示）。圖片來源：參考文獻[4] | 制圖：Ke-Jung Chen 但是，用“脈沖對不穩定”模型解釋這個超新星在爆炸前60年的變亮行為，也遇到了兩個很大的困難：
因此，Arcavi等人認為，要么“脈沖對不穩定”模型需要修改，要么還有我們還不知道的其他機制導致了物質噴發。 著名天文學家Stan Woosley在同一期的《自然》雜志上發表了評述文章[2]。他認為，這個超新星將幫助人們理解最大質量恒星是如何演化的，超亮超新星是如何形成的，以及，恒星級黑洞是如何形成的。這些都是目前科學家還沒有徹底理解的東西。無論揭開哪個謎團，無疑都是讓天文學家激動不已的發現。 一些花絮與一個獨家內幕 這篇論文的第一作者Arcavi是以色列人。2013年讀完博士之后，到加州大學圣克魯茲分校物理系做博士后，同時在LCO工作，成為NASA的“愛因斯坦學者”（Einstein Fellow）。愛因斯坦學者和哈勃學者（Hubble Fellow）是針對在美國從事天文研究的青年博士后的一個基金項目，代表了全美天文學博士后的最高水準。 |
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