恒星的第10001種死法

　　超新星SN1054爆發留下的蟹狀星云 NASA

　　圖片來源：www.quantamagzine.org

　　iPTF14hls與普通ⅡP型超新星光變曲線的對比

　　宇宙中，每秒鐘都有恒星死去。雖然恒星結束生命的方式不外乎核塌縮和熱核爆炸兩種，但它們結合各自的物理、化學狀態，細化出無數種死法。真是應了那句話：有一萬種死法，你要選哪種？可有顆恒星卻不走尋常路，它似乎選擇了——

　　標準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》雜志就介紹了一個特殊的超新星爆發。天文學家發現，一顆被命名為iPTF14hls的超新星在近兩年的時間里，爆發了5次。在全球大視場巡天開展得如火如荼的當下，每天都會發現十幾顆超新星，但如此走向死亡的恒星卻前所未有。清華大學和國家天文臺的研究人員作為該研究的合作者，利用國內的中小型望遠鏡設備為這項工作貢獻了重要數據。

　　一波三折的發現過程

　　2014年9月22日，著名的帕洛瑪瞬變源巡天項目利用大視場相機發現了一個突然變亮的點。作為一顆超新量候選體，它被命名為iPTF14hls。按照傳統的超新星研究過程，應該迅速尋找大口徑望遠鏡進行光譜證認。出于某些原因，iPTF并未公布該超新星的發現信息，也沒有啟動后續的監測。

　　兩個月后，另外一個超新星巡天卡特琳娜實時瞬變源巡天于2014年11月18日獨立發現了該超新星的爆發。因為看起來亮度變化不大，天文學家沒有對這顆超新星更進一步關注。

　　2015年的第一天，國家天文臺與清華大學聯合開展的超新星巡天項目探測到了這顆超新星的再次變亮，并于2015年1月8日利用國家天文臺2.16米望遠鏡觀測了它的第一條光譜。光譜顯示，這是一顆ⅡP型超新星。這類超新星在爆發時包含有大量的氫和氦元素，其亮度會在爆發后50—100天保持緩慢變化。這與之前的觀測相符合。因此我國超新星研究者判斷這是一顆普通的ⅡP型超新星，再次錯失了這個重大發現。

　　100天后，iPTF14hls迎來了第三次的亮度增加，大量的望遠鏡將鏡頭對準“事發地點”，開始對iPTF14hls進行集中觀測。此后的300天內，科學家又探測到至少兩次亮度增加的現象。也就是說，在長達600多天的時間內，這顆超新星至少5次突然變亮，然后又暗淡下去。

　　iPTF14hls所在的星系有個長長的名字SDSS J092034.44+504148.7，它距離地球約4億光年。之所以科學家對這個星系的距離并不十分確定，是因為它實在是太過暗淡、太過平淡無奇，因此之前從未有望遠鏡專門對準它。而超新星iPTF14hls五次爆發的“事跡”在天文界前所未有，才讓iPTF14hls和它所在的星系成為科學家們關注的焦點。

　　恒星生命的終點

　　超新星是恒星終結生命的一種形式。當恒星耗盡其內部核反應原料時，會開始不可阻擋地塌縮，隨后產生劇烈的爆發。爆發會讓恒星的亮度迅速增加10個量級以上，并將恒星的大部分物質以上萬公里/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在上演，而人類所有的探測設備集中在一起也只發現其中的十萬分之一。現有的超新星觀測數據顯示，絕大部分超新星會在爆發后的幾十天到1年內，亮度下降到觀測儀器的探測極限以下，最終從我們的視野中消失，遺留下一個中子星或者黑洞，又或者尸骨無存。

　　超新星這個名詞的出現至今不到百年時間。上世紀末最后十年，SN 1987A爆發、超新星作為標準燭光測量宇宙以及部分超新星與伽馬暴成協等重要科學發現一一出現，使越來越多科學家將目光聚焦到超新星。

　　根據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，分別是來源于主序質量到達8—16個太陽質量紅巨星爆發的ⅡP型，和吸積伴星質量達到質量極限最終爆發的Ia型。最近十年，隨著更多大視場超新星巡天項目的開展，越來越多的特殊超新星被發現，為超新星研究揭開了新的篇章。

　　不斷復活的“僵尸”超新星

　　一般來說，超新星爆發后會在幾天或者幾周內達到光度極大，然后逐漸暗淡。當然，凡事有例外，超新星在爆發后出現多次光度增亮現象也曾有過先例，比如著名的SN 1987A和1993J。

　　iPTF14hls被天文學家戲稱為“僵尸”超新星。它在演化的終點遲遲不肯離去，多次爆發。到底是什么讓它一再“復活”？

　　對于超新星再次變亮，天文學家有多種解釋。首先是適用于最多場景的鎳元素56號同位素的衰變。在演化的最后階段，恒星會在高溫高壓狀態下合成鎳元素的56號同位素，之后它會通過放射性衰變，緩慢地變為鉻和鐵，并釋放能量，使超新星再次變亮。SN 1987A和1993J再次變亮的機制就與這種機制類似，但它一般只會使超新星產生一到兩次的亮度增加。其次，如果超新星爆發時，其周圍有一個前身星星風吹出的物質殼層，那么當爆發拋出的物質進入這些殼層后，會與這些殼層發生相互作用，加熱這些物質使其發出輻射。輻射提供的能量會使超新星的亮度下降速度減緩，并且會伴隨有射電和X射線的輻射。但對iPTF14hls的觀測并沒有探測到射電或者X射線的輻射。第三種可能，如果超新星爆發后形成一個高速旋轉的、磁場較強的中子星，這樣的中子星會因為旋轉速度的減緩，使其旋轉動能轉化為輻射能，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，也無法解釋iPTF14hls的5次變亮，而且現有的模型也不支持包含有大量氫元素的恒星產生這樣的高速強磁場中子星。

　　研究表明，在爆發之前，iPTF14hls可能是一顆質量超過100個太陽質量的低金屬豐度恒星。這種恒星生命晚期會在特定的條件下產生正負電子對，使得恒星的狀態方程發生變化，導致其不穩定性增加，進而拋出部分外層物質，并重新達成穩定的狀態方程。多次重復這個過程就會在超新星外部形成多重殼層。最終恒星徹底死亡爆發后，拋出的物質與不同殼層的相互作用就會產生iPTF14hls的奇特光變曲線。

　　遺憾的是，該模型預言超新星在爆發時將損失絕大多數氫元素，這與iPTF14hls光譜中發現較強的氫譜線相悖，而且模型預計的爆發總能量比實際觀測到的要低一個量級。如此看來，該模型也不是iPT14hls這類奇特超新星爆發的最終答案。未來更多與iPTF14hls類似的超新星的早期觀測數據，加上日益完備的恒星演化模型，也許會讓我們發現恒星的一種新死法。（作者系國家天文臺副研究員）