恒星的第10001種死法

超新星SN1054爆發(fā)留下的蟹狀星云 NASA

圖片來(lái)源：www.quantamagzine.org

iPTF14hls與普通ⅡP型超新星光變曲線的對(duì)比

宇宙中，每秒鐘都有恒星死去。雖然恒星結(jié)束生命的方式不外乎核塌縮和熱核爆炸兩種，但它們結(jié)合各自的物理、化學(xué)狀態(tài)，細(xì)化出無(wú)數(shù)種死法。真是應(yīng)了那句話：有一萬(wàn)種死法，你要選哪種?可有顆恒星卻不走尋常路，它似乎選擇了——

標(biāo)準(zhǔn)的超新星都是相似的，特殊的超新星各有各的不同。

11月9日出版的《自然》雜志就介紹了一個(gè)特殊的超新星爆發(fā)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一顆被命名為iPTF14hls的超新星在近兩年的時(shí)間里，爆發(fā)了5次。在全球大視場(chǎng)巡天開(kāi)展得如火如荼的當(dāng)下，每天都會(huì)發(fā)現(xiàn)十幾顆超新星，但如此走向死亡的恒星卻前所未有。清華大學(xué)和國(guó)家天文臺(tái)的研究人員作為該研究的合作者，利用國(guó)內(nèi)的中小型望遠(yuǎn)鏡設(shè)備為這項(xiàng)工作貢獻(xiàn)了重要數(shù)據(jù)。

一波三折的發(fā)現(xiàn)過(guò)程

2014年9月22日，著名的帕洛瑪瞬變?cè)囱蔡祉?xiàng)目利用大視場(chǎng)相機(jī)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)突然變亮的點(diǎn)。作為一顆超新量候選體，它被命名為iPTF14hls。按照傳統(tǒng)的超新星研究過(guò)程，應(yīng)該迅速尋找大口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光譜證認(rèn)。出于某些原因，iPTF并未公布該超新星的發(fā)現(xiàn)信息，也沒(méi)有啟動(dòng)后續(xù)的監(jiān)測(cè)。

兩個(gè)月后，另外一個(gè)超新星巡天卡特琳娜實(shí)時(shí)瞬變?cè)囱蔡煊?014年11月18日獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了該超新星的爆發(fā)。因?yàn)榭雌饋?lái)亮度變化不大，天文學(xué)家沒(méi)有對(duì)這顆超新星更進(jìn)一步關(guān)注。

2015年的第一天，國(guó)家天文臺(tái)與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展的超新星巡天項(xiàng)目探測(cè)到了這顆超新星的再次變亮，并于2015年1月8日利用國(guó)家天文臺(tái)2.16米望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了它的第一條光譜。光譜顯示，這是一顆ⅡP型超新星。這類超新星在爆發(fā)時(shí)包含有大量的氫和氦元素，其亮度會(huì)在爆發(fā)后50—100天保持緩慢變化。這與之前的觀測(cè)相符合。因此我國(guó)超新星研究者判斷這是一顆普通的ⅡP型超新星，再次錯(cuò)失了這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。

100天后，iPTF14hls迎來(lái)了第三次的亮度增加，大量的望遠(yuǎn)鏡將鏡頭對(duì)準(zhǔn)“事發(fā)地點(diǎn)”，開(kāi)始對(duì)iPTF14hls進(jìn)行集中觀測(cè)。此后的300天內(nèi)，科學(xué)家又探測(cè)到至少兩次亮度增加的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，在長(zhǎng)達(dá)600多天的時(shí)間內(nèi)，這顆超新星至少5次突然變亮，然后又暗淡下去。

iPTF14hls所在的星系有個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的名字SDSS J092034.44+504148.7，它距離地球約4億光年。之所以科學(xué)家對(duì)這個(gè)星系的距離并不十分確定，是因?yàn)樗鼘?shí)在是太過(guò)暗淡、太過(guò)平淡無(wú)奇，因此之前從未有望遠(yuǎn)鏡專門對(duì)準(zhǔn)它。而超新星iPTF14hls五次爆發(fā)的“事跡”在天文界前所未有，才讓iPTF14hls和它所在的星系成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。

恒星生命的終點(diǎn)

超新星是恒星終結(jié)生命的一種形式。當(dāng)恒星耗盡其內(nèi)部核反應(yīng)原料時(shí)，會(huì)開(kāi)始不可阻擋地塌縮，隨后產(chǎn)生劇烈的爆發(fā)。爆發(fā)會(huì)讓恒星的亮度迅速增加10個(gè)量級(jí)以上，并將恒星的大部分物質(zhì)以上萬(wàn)公里/秒的速度拋射到空曠的宇宙中。在宇宙空間中，每秒鐘都有一次超新星爆發(fā)在上演，而人類所有的探測(cè)設(shè)備集中在一起也只發(fā)現(xiàn)其中的十萬(wàn)分之一?，F(xiàn)有的超新星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，絕大部分超新星會(huì)在爆發(fā)后的幾十天到1年內(nèi)，亮度下降到觀測(cè)儀器的探測(cè)極限以下，最終從我們的視野中消失，遺留下一個(gè)中子星或者黑洞，又或者尸骨無(wú)存。

超新星這個(gè)名詞的出現(xiàn)至今不到百年時(shí)間。上世紀(jì)末最后十年，SN 1987A爆發(fā)、超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光測(cè)量宇宙以及部分超新星與伽馬暴成協(xié)等重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)一一出現(xiàn)，使越來(lái)越多科學(xué)家將目光聚焦到超新星。

根據(jù)光度變化曲線和光譜特征，超新星可以被分為很多類型。其中所占比例最大的兩類，分別是來(lái)源于主序質(zhì)量到達(dá)8—16個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量紅巨星爆發(fā)的ⅡP型，和吸積伴星質(zhì)量達(dá)到質(zhì)量極限最終爆發(fā)的Ia型。最近十年，隨著更多大視場(chǎng)超新星巡天項(xiàng)目的開(kāi)展，越來(lái)越多的特殊超新星被發(fā)現(xiàn)，為超新星研究揭開(kāi)了新的篇章。

不斷復(fù)活的“僵尸”超新星

一般來(lái)說(shuō)，超新星爆發(fā)后會(huì)在幾天或者幾周內(nèi)達(dá)到光度極大，然后逐漸暗淡。當(dāng)然，凡事有例外，超新星在爆發(fā)后出現(xiàn)多次光度增亮現(xiàn)象也曾有過(guò)先例，比如著名的SN 1987A和1993J。

iPTF14hls被天文學(xué)家戲稱為“僵尸”超新星。它在演化的終點(diǎn)遲遲不肯離去，多次爆發(fā)。到底是什么讓它一再“復(fù)活”?

對(duì)于超新星再次變亮，天文學(xué)家有多種解釋。首先是適用于最多場(chǎng)景的鎳元素56號(hào)同位素的衰變。在演化的最后階段，恒星會(huì)在高溫高壓狀態(tài)下合成鎳元素的56號(hào)同位素，之后它會(huì)通過(guò)放射性衰變，緩慢地變?yōu)殂t和鐵，并釋放能量，使超新星再次變亮。SN 1987A和1993J再次變亮的機(jī)制就與這種機(jī)制類似，但它一般只會(huì)使超新星產(chǎn)生一到兩次的亮度增加。其次，如果超新星爆發(fā)時(shí)，其周圍有一個(gè)前身星星風(fēng)吹出的物質(zhì)殼層，那么當(dāng)爆發(fā)拋出的物質(zhì)進(jìn)入這些殼層后，會(huì)與這些殼層發(fā)生相互作用，加熱這些物質(zhì)使其發(fā)出輻射。輻射提供的能量會(huì)使超新星的亮度下降速度減緩，并且會(huì)伴隨有射電和X射線的輻射。但對(duì)iPTF14hls的觀測(cè)并沒(méi)有探測(cè)到射電或者X射線的輻射。第三種可能，如果超新星爆發(fā)后形成一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的、磁場(chǎng)較強(qiáng)的中子星，這樣的中子星會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)速度的減緩，使其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輻射能，為超新星的輻射注入新的能量。但這樣的能量注入一般是單次的，也無(wú)法解釋iPTF14hls的5次變亮，而且現(xiàn)有的模型也不支持包含有大量氫元素的恒星產(chǎn)生這樣的高速?gòu)?qiáng)磁場(chǎng)中子星。

研究表明，在爆發(fā)之前，iPTF14hls可能是一顆質(zhì)量超過(guò)100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的低金屬豐度恒星。這種恒星生命晚期會(huì)在特定的條件下產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，使得恒星的狀態(tài)方程發(fā)生變化，導(dǎo)致其不穩(wěn)定性增加，進(jìn)而拋出部分外層物質(zhì)，并重新達(dá)成穩(wěn)定的狀態(tài)方程。多次重復(fù)這個(gè)過(guò)程就會(huì)在超新星外部形成多重殼層。最終恒星徹底死亡爆發(fā)后，拋出的物質(zhì)與不同殼層的相互作用就會(huì)產(chǎn)生iPTF14hls的奇特光變曲線。

遺憾的是，該模型預(yù)言超新星在爆發(fā)時(shí)將損失絕大多數(shù)氫元素，這與iPTF14hls光譜中發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的氫譜線相悖，而且模型預(yù)計(jì)的爆發(fā)總能量比實(shí)際觀測(cè)到的要低一個(gè)量級(jí)。如此看來(lái)，該模型也不是iPT14hls這類奇特超新星爆發(fā)的最終答案。未來(lái)更多與iPTF14hls類似的超新星的早期觀測(cè)數(shù)據(jù)，加上日益完備的恒星演化模型，也許會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)恒星的一種新死法。(張?zhí)烀茸髡呦祰?guó)家天文臺(tái)副研究員)