宇宙中一些天體爆炸后，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的光芒，最亮?xí)r達(dá)到太陽(yáng)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(gè)過程一般只會(huì)持續(xù)大約幾個(gè)月。然而，2014年秋，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的超新星，在此后的兩年時(shí)間里，它反復(fù)變暗再變亮，至少反復(fù)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(rèn)為，當(dāng)前的理論都很難解釋這個(gè)超新星的奇特行為，它將改寫教科書中關(guān)于恒星演化與爆炸有關(guān)的理論。
捕獵史上最奇怪超新星
2014年9月下旬，位于美國(guó)加州帕洛瑪山上的48英寸(1.22米)的Oschin望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)超新星時(shí)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(xiàn)[1]
這是一顆正在變暗的超新星，但是后續(xù)觀測(cè)表明它在變暗后又變亮了，這引起了天文學(xué)家的強(qiáng)烈興趣。總部位于美國(guó)加州的LasCumbres天文臺(tái)(LCO)的Iair Arcavi組織了一個(gè)國(guó)際合作小組，對(duì)這顆奇怪的超新星進(jìn)行了后續(xù)觀測(cè)與分析。參與這項(xiàng)研究的人員除了美國(guó)的Iair Arcavi、D. Andrew Howell和Daniel Kasen等人之外，還有中國(guó)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(xiàn)[1])。使用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要是LCO望遠(yuǎn)鏡、帕洛瑪天文臺(tái)的1.22米、1.52米望遠(yuǎn)鏡與清華大學(xué)-中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)的0.8米望遠(yuǎn)鏡。
Oschin望遠(yuǎn)鏡的圓頂(左)和望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的72英寸主鏡面(右)。圖片來源:Palomar/Caltech
持續(xù)的觀測(cè)表明:這個(gè)超新星的亮度變化曲線至少有5個(gè)峰，已經(jīng)持續(xù)明亮了600多天，是"史上保持明亮?xí)r間最長(zhǎng)的超新星"。現(xiàn)在，Arcavi與合作者們正在繼續(xù)監(jiān)測(cè)這個(gè)超新星的亮度變化，看看它是否還會(huì)繼續(xù)變亮。同時(shí)，他們調(diào)用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)這個(gè)超新星所在的位置，以期獲得更多細(xì)節(jié)信息。
金色曲線是iPTF14hls的亮度變化曲線。中間有段時(shí)間被太陽(yáng)擋住，導(dǎo)致觀測(cè)中斷。下方淺藍(lán)色線為一類普通超新星的亮度變化曲線，用來進(jìn)行比較。圖片來源:LCO
Arcavi等人還發(fā)現(xiàn)，就在這個(gè)超新星所在的同一個(gè)位置，1954年曾經(jīng)變亮了一次，到1993年再拍攝的圖像已經(jīng)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(cè)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(zhì)撞擊到此前噴發(fā)出的物質(zhì)，發(fā)出強(qiáng)光，其實(shí)恒星還活著。60年后，產(chǎn)生了2014年被觀測(cè)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(gè)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(xiàn)[1]
這樣，就有兩個(gè)大問題需要解答:這個(gè)超新星的能源是什么?是什么力量導(dǎo)致了1954年觀測(cè)到那次爆發(fā)?
這個(gè)超新星的能源是什么?
天文學(xué)家首先面臨的問題是:這個(gè)史上最奇怪的超新星的能源是什么?我們先來簡(jiǎn)單介紹能夠?yàn)槌滦翘峁┝炼鹊闹饕茉?括號(hào)里描述對(duì)應(yīng)的亮度變化曲線的特征):
超新星內(nèi)部產(chǎn)生的沖擊波加熱超新星物質(zhì)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(jié)合為氫原子(約100天內(nèi)保持亮度不變的"平臺(tái)");
超新星噴射物撞擊此前跑出去的物質(zhì)(撞擊幾次，形成幾個(gè)峰);
恒星噴發(fā)出的多個(gè)物質(zhì)殼中，后面的追上前面的，產(chǎn)生碰撞(撞擊幾次，形成幾個(gè)峰);
星體中心形成的黑洞，將回落下去的物質(zhì)吞入，噴發(fā)出的噴流將能量傳遞給超新星物質(zhì)(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(jié)構(gòu)，因此前4個(gè)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(huì)產(chǎn)生X射線輻射和射電輻射，但觀測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)這些輻射，因此，Arcavi等人認(rèn)為，能夠解釋這個(gè)超新星的模型可能就是上面列的第7個(gè)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(gè)黑洞"吃東西"時(shí)忽快忽慢，就會(huì)導(dǎo)致超新星忽明忽暗。這樣，能源問題應(yīng)該是解決了，雖然對(duì)那個(gè)黑洞提出的要求高了點(diǎn)、模型也確實(shí)有些奇怪。
恒星內(nèi)部形成黑洞，恒星內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)堆積成一個(gè)環(huán)，掉入黑洞，垂直于環(huán)的方向上產(chǎn)生噴流(jet)，將能量傳遞給周圍的物質(zhì)，將噴流附近的物質(zhì)加熱，使其成為超新星(來源:Macfadyen)。
爆發(fā)前的物質(zhì)噴發(fā):挑戰(zhàn)現(xiàn)有的認(rèn)知
解答了能源問題之后，就要解答"是什么力量導(dǎo)致了1954年觀測(cè)到那次爆發(fā)?"這個(gè)問題了。當(dāng)前最有可能解釋超新星爆發(fā)前的噴發(fā)現(xiàn)象的理論，是所謂的"脈沖對(duì)不穩(wěn)定"機(jī)制--質(zhì)量超過95個(gè)太陽(yáng)的恒星，由于內(nèi)部溫度過高，在演化的某個(gè)階段，核心產(chǎn)生的一部分伽瑪射線變?yōu)檎粗形⒆訉?duì)，逃出星體，導(dǎo)致恒星收縮、升溫，引發(fā)不穩(wěn)定噴發(fā)。因?yàn)樯婕暗秸粗形⒆訉?duì)，這個(gè)過程被稱為"對(duì)不穩(wěn)定"。如果恒星質(zhì)量在95-130個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，"對(duì)不穩(wěn)定"過程會(huì)將星體的外層拋出。這樣的過程每隔幾年到幾十年就會(huì)發(fā)生一次，直到最后恒星徹底爆炸，就像是脈搏跳動(dòng)，因此被稱為"脈沖對(duì)不穩(wěn)定"。
因此，可以假設(shè)此前這個(gè)恒星經(jīng)歷過兩次脈沖式噴發(fā)，后面的的物質(zhì)碰撞到前面物質(zhì)，就可以解釋1954年觀測(cè)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(zhì)殼的碰撞。大質(zhì)量恒星在死亡之前一些年的時(shí)間里因?yàn)?quot;脈沖對(duì)不穩(wěn)定性"而先后噴發(fā)出兩個(gè)物質(zhì)殼，如果后面的殼的速度大于前面的，就會(huì)追趕碰撞。此圖顯示了兩個(gè)物質(zhì)殼碰撞過程模擬圖的"右上角"。物質(zhì)殼(包括了紅色結(jié)點(diǎn)表示的碰撞碎片)的半徑是太陽(yáng)-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(lán)色表示)。圖片來源:參考文獻(xiàn)[4]|制圖:Ke-JungChen
但是，用"脈沖對(duì)不穩(wěn)定"模型解釋這個(gè)超新星在爆炸前60年的變亮行為，也遇到了兩個(gè)很大的困難:
第一、根據(jù)觀測(cè)結(jié)果計(jì)算出的物質(zhì)殼的動(dòng)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(huì)損失大量的氫，導(dǎo)致留下的氫很少，而事實(shí)上這次觀測(cè)到的超新星含有大量的氫。
因此，Arcavi等人認(rèn)為，要么"脈沖對(duì)不穩(wěn)定"模型需要修改，要么還有我們還不知道的其他機(jī)制導(dǎo)致了物質(zhì)噴發(fā)。
著名天文學(xué)家Stan Woosley在同一期的《自然》雜志上發(fā)表了評(píng)述文章[2]。他認(rèn)為，這個(gè)超新星將幫助人們理解最大質(zhì)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(jí)黑洞是如何形成的。這些都是目前科學(xué)家還沒有徹底理解的東西。無論揭開哪個(gè)謎團(tuán)，無疑都是讓天文學(xué)家激動(dòng)不已的發(fā)現(xiàn)。
一些花絮與一個(gè)獨(dú)家內(nèi)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(xué)圣克魯茲分校物理系做博士后，同時(shí)在LCO工作，成為NASA的"愛因斯坦學(xué)者"(Einstein Fellow)。愛因斯坦學(xué)者和哈勃學(xué)者(Hubble Fellow)是針對(duì)在美國(guó)從事天文研究的青年博士后的一個(gè)基金項(xiàng)目，代表了全美天文學(xué)博士后的最高水準(zhǔn)。
IairArcavi。圖片來源:Arcavi的個(gè)人主頁(yè)lco.global/~iarcavi
幾個(gè)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(bào)告中，他提到了這篇論文遇到的"坎坷"經(jīng)歷:《自然》雜志的編輯希望他能夠在論文里寫一些更強(qiáng)烈的結(jié)論，搞個(gè)大新聞，但Arcavi認(rèn)為自己的數(shù)據(jù)和分析能夠得到的結(jié)論就是現(xiàn)在這樣的，不能夸大其詞，因此堅(jiān)持不改結(jié)論。(感謝伯克利天文系的鄭偉康提供了這個(gè)內(nèi)幕，那天我沒去系里聽報(bào)告。)
此外，上個(gè)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(lǐng)先使用LCO的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了伴隨引力波的千新星，相關(guān)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(tái)當(dāng)前主頁(yè)頂端的地圖，圖中的圓點(diǎn)表示其數(shù)據(jù)處理中心和天文臺(tái)臺(tái)址(從左到右:美國(guó)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(guó)利物浦、南非蘇斯蘭、以色列南區(qū)、中國(guó)西藏、澳大利亞新南威爾士)。位于以色列和中國(guó)的臺(tái)址將分別于明年和后年啟動(dòng)。黃色部分強(qiáng)調(diào)其觀測(cè)到那個(gè)在爆發(fā)前60年發(fā)生物質(zhì)噴發(fā)卻沒有爆炸的超新星。圖片來源:LasCumbre天文臺(tái)lco.global
最后還要說一說LasCumbres天文臺(tái)的背景。谷歌退休副老總Wayne Rosing于2005年成立"LasCumbres天文臺(tái)全球望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)"(LasCumbres Observatory Global Telescope Network，LCOGT)，簡(jiǎn)稱LCO。這是一個(gè)私人非盈利機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在已陸續(xù)架設(shè)了20架天文望遠(yuǎn)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(duì)光學(xué)爆發(fā)進(jìn)行24小時(shí)追蹤觀測(cè)。
原標(biāo)題：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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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