宇宙中一些天體爆炸后，會發(fā)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(fā)之后先變亮再慢慢變暗，整個過程一般只會持續(xù)大約幾個月。然而，2014年秋，天文學家發(fā)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(fā)過。一篇發(fā)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(fā)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(fā)前的圖像，c為Oschin望遠鏡發(fā)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(xù)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asCumbres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(xù)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?zhí)烀群蛷埦蛹?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(xù)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(xù)明亮了600多天，是"史上保持明亮時間最長的超新星"。現在，Arcavi與合作者們正在繼續(xù)監(jiān)測這個超新星的亮度變化，看看它是否還會繼續(xù)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(jié)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(fā)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(fā)不是超新星爆炸，而是恒星噴發(fā)出的大量物質撞擊到此前噴發(fā)出的物質，發(fā)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(fā)，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(fā)?
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):
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);
放射性鎳56與鈷56衰變(單峰);
超新星殘骸中心的中子星高度磁化，變?yōu)?quot;磁星"，發(fā)出輻射(單峰);
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");
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);
恒星噴發(fā)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);
星體中心形成的黑洞，將回落下去的物質吞入，噴發(fā)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(fā)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(huán)，掉入黑洞，垂直于環(huán)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(fā)前的物質噴發(fā):挑戰(zhàn)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(fā)?"這個問題了。當前最有可能解釋超新星爆發(fā)前的噴發(fā)現象的理論，是所謂的"脈沖對不穩(wěn)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?yōu)檎粗形⒆訉?，逃出星體，導致恒星收縮、升溫，引發(fā)不穩(wěn)定噴發(fā)。因為涉及到正反中微子對，這個過程被稱為"對不穩(wěn)定"。如果恒星質量在95-130個太陽質量之間，"對不穩(wěn)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(fā)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(wěn)定"。
因此，可以假設此前這個恒星經歷過兩次脈沖式噴發(fā)，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(fā)。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(wěn)定性"而先后噴發(fā)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-JungChen
但是，用"脈沖對不穩(wěn)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:
第一、根據觀測結果計算出的物質殼的動能是理論允許的最大值的幾十倍;
第二、理論上，首次噴發(fā)后就會損失大量的氫，導致留下的氫很少，而事實上這次觀測到的超新星含有大量的氫。
因此，Arcavi等人認為，要么"脈沖對不穩(wěn)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(fā)。
著名天文學家Stan Woosley在同一期的《自然》雜志上發(fā)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(fā)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。
IairArcavi。圖片來源:Arcavi的個人主頁lco.global/~iarcavi
幾個月前，Arcavi來伯克利天文系訪問了幾天，這也是我第一次和他本人見面。在天文系的報告中，他提到了這篇論文遇到的"坎坷"經歷:《自然》雜志的編輯希望他能夠在論文里寫一些更強烈的結論，搞個大新聞，但Arcavi認為自己的數據和分析能夠得到的結論就是現在這樣的，不能夸大其詞，因此堅持不改結論。(感謝伯克利天文系的鄭偉康提供了這個內幕，那天我沒去系里聽報告。)
此外，上個月引發(fā)新聞狂潮的中子星并合引發(fā)的引力波事件中，Arcavi也是主角之一:他領先使用LCO的望遠鏡觀測了伴隨引力波的千新星，相關論文發(fā)表于10月的《自然》[3]。至今為止他已發(fā)表了107篇論文。
LasCumbre天文臺當前主頁頂端的地圖，圖中的圓點表示其數據處理中心和天文臺臺址(從左到右:美國夏威夷、加州、得克薩斯州、智利科金博區(qū)、西班牙加納利群島、英國利物浦、南非蘇斯蘭、以色列南區(qū)、中國西藏、澳大利亞新南威爾士)。位于以色列和中國的臺址將分別于明年和后年啟動。黃色部分強調其觀測到那個在爆發(fā)前60年發(fā)生物質噴發(fā)卻沒有爆炸的超新星。圖片來源:LasCumbre天文臺lco.global
最后還要說一說LasCumbres天文臺的背景。谷歌退休副老總Wayne Rosing于2005年成立"LasCumbres天文臺全球望遠鏡網絡"(LasCumbres Observatory Global Telescope Network，LCOGT)，簡稱LCO。這是一個私人非盈利機構，現在已陸續(xù)架設了20架天文望遠鏡，口徑有0.4米、1米和2米，分布于南北半球和東西半球，可以對光學爆發(fā)進行24小時追蹤觀測。
原標題：科學家發(fā)現了一顆有史以來最奇怪的超新星!這次真要改寫教科書了
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