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申猴


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科学家发现了一颗有史以来最奇怪的超新星!这次真要改写教科书了[8P]






  宇宙中一些天体爆炸后,会发出强烈的光芒,最亮时达到太阳亮度的1亿倍甚至千亿倍,它们被称为“超新星”。超新星爆发之后先变亮再慢慢变暗,整个过程一般只会持续大约几个月。然而,2014年秋,天文学家发现了一个奇怪的超新星,在此后的两年时间里,它反复变暗再变亮,至少反复了5次。更奇怪的是,它在60年前可能还爆发过。一篇发表在最新一期《自然》(Nature)期刊上的论文认为,当前的理论都很难解释这个超新星的奇特行为,它将改写教科书中关于恒星演化与爆炸有关的理论。

  捕猎史上最奇怪超新星

  2014年9月下旬,位于美国加州帕洛玛山上的48英寸(1.22米)的Oschin望远镜发现了一颗距离我们约5亿光年的超新星,它被命名为“iPTF14hls”。

 



  iPTF14hls所在的星系的四张图像(图a、b、c、d),a、b分别为爆发前的图像,c为Oschin望远镜发现超新星时的图像,d为减除背景之后的超新星图像。图片来源:参考文献[1]

  这是一颗正在变暗的超新星,但是后续观测表明它在变暗后又变亮了,这引起了天文学家的强烈兴趣。总部位于美国加州的LasCumbres天文台(LCO)的Iair Arcavi组织了一个国际合作小组,对这颗奇怪的超新星进行了后续观测与分析。参与这项研究的人员除了美国的Iair Arcavi、D. Andrew Howell和Daniel Kasen等人之外,还有中国的王晓锋、黄芳、芮黎明、李文雄、李志彤、张天萌和张居甲(全部人员的名单见参考文献[1])。使用的光学望远镜主要是LCO望远镜、帕洛玛天文台的1.22米、1.52米望远镜与清华大学-中国国家天文台的0.8米望远镜。

 



  Oschin望远镜的圆顶(左)和望远镜内的72英寸主镜面(右)。图片来源:Palomar/Caltech

  持续的观测表明:这个超新星的亮度变化曲线至少有5个峰,已经持续明亮了600多天,是“史上保持明亮时间最长的超新星”。现在,Arcavi与合作者们正在继续监测这个超新星的亮度变化,看看它是否还会继续变亮。同时,他们调用哈勃太空望远镜来观测这个超新星所在的位置,以期获得更多细节信息。

 



  金色曲线是iPTF14hls的亮度变化曲线。中间有段时间被太阳挡住,导致观测中断。下方浅蓝色线为一类普通超新星的亮度变化曲线,用来进行比较。图片来源:LCO

  Arcavi等人还发现,就在这个超新星所在的同一个位置,1954年曾经变亮了一次,到1993年再拍摄的图像已经比1954年的暗了。超新星不可能在爆炸后再次爆炸,因此,1954年观测到的那次爆发不是超新星爆炸,而是恒星喷发出的大量物质撞击到此前喷发出的物质,发出强光,其实恒星还活着。60年后,产生了2014年被观测到的那次爆发,恒星才真的炸毁了。

 



  1954年拍摄的底片表明在这个超新星的位置上生过闪耀,1993年拍摄的底片中的同一位置比1954年的暗。图片来源:参考文献[1]

  这样,就有两个大问题需要解答:这个超新星的能源是什么?是什么力量导致了1954年观测到那次爆发?

  这个超新星的能源是什么?

  天文学家首先面临的问题是:这个史上最奇怪的超新星的能源是什么?我们先来简单介绍能够为超新星提供亮度的主要能源(括号里描述对应的亮度变化曲线的特征):

  超新星内部产生的冲击波加热超新星物质的外壳之后,炽热的外壳冷却(单峰);

  放射性镍56与钴56衰变(单峰);

  超新星残骸中心的中子星高度磁化,变为“磁星”,发出辐射(单峰);

  超新星外壳中大量氢原子被被电离,形成氢离子,然后氢离子与电子重新结合为氢原子(约100天内保持亮度不变的“平台”);

  超新星喷射物撞击此前跑出去的物质(撞击几次,形成几个峰);

  恒星喷发出的多个物质壳中,后面的追上前面的,产生碰撞(撞击几次,形成几个峰);

  星体中心形成的黑洞,将回落下去的物质吞入,喷发出的喷流将能量传递给超新星物质(一般为单峰)。

  首先,以上的第1、2、3、4类能源都只形成单峰。1、2、3、4的任意组合也最多形成双峰结构,因此前4个能源模型及其组合模型都被排除了。再看5和6,多次碰撞一般会产生X射线辐射和射电辐射,但观测没有发现这些辐射,因此,Arcavi等人认为,能够解释这个超新星的模型可能就是上面列的第7个模型。

  但是,黑洞模型得到的亮度变化曲线也是单峰的。不过,如果这个黑洞“吃东西”时忽快忽慢,就会导致超新星忽明忽暗。这样,能源问题应该是解决了,虽然对那个黑洞提出的要求高了点、模型也确实有些奇怪。

 



  恒星内部形成黑洞,恒星内部旋转的物质堆积成一个环,掉入黑洞,垂直于环的方向上产生喷流(jet),将能量传递给周围的物质,将喷流附近的物质加热,使其成为超新星(来源:Macfadyen)。

  爆发前的物质喷发:挑战现有的认知

  解答了能源问题之后,就要解答“是什么力量导致了1954年观测到那次爆发?”这个问题了。当前最有可能解释超新星爆发前的喷发现象的理论,是所谓的“脉冲对不稳定”机制——质量超过95个太阳的恒星,由于内部温度过高,在演化的某个阶段,核心产生的一部分伽玛射线变为正反中微子对,逃出星体,导致恒星收缩、升温,引发不稳定喷发。因为涉及到正反中微子对,这个过程被称为“对不稳定”。如果恒星质量在95-130个太阳质量之间,“对不稳定”过程会将星体的外层抛出。这样的过程每隔几年到几十年就会发生一次,直到最后恒星彻底爆炸,就像是脉搏跳动,因此被称为“脉冲对不稳定”。

  因此,可以假设此前这个恒星经历过两次脉冲式喷发,后面的的物质碰撞到前面物质,就可以解释1954年观测到的那次爆发。然后恒星在60年后彻底炸毁,成为超新星。

 



  物质壳的碰撞。大质量恒星在死亡之前一些年的时间里因为“脉冲对不稳定性”而先后喷发出两个物质壳,如果后面的壳的速度大于前面的,就会追赶碰撞。此图显示了两个物质壳碰撞过程模拟图的“右上角”。物质壳(包括了红色结点表示的碰撞碎片)的半径是太阳-地球距离的500倍(750亿千米)。不同的颜色表示不同的密度,最高密度是10的-11次方(红色表示),最低密度是10的-16次方(暗蓝色表示)。图片来源:参考文献[4]|制图:Ke-JungChen

  但是,用“脉冲对不稳定”模型解释这个超新星在爆炸前60年的变亮行为,也遇到了两个很大的困难:

  第一、根据观测结果计算出的物质壳的动能是理论允许的最大值的几十倍;

  第二、理论上,首次喷发后就会损失大量的氢,导致留下的氢很少,而事实上这次观测到的超新星含有大量的氢。


  

  因此,Arcavi等人认为,要么“脉冲对不稳定”模型需要修改,要么还有我们还不知道的其他机制导致了物质喷发。

  著名天文学家Stan Woosley在同一期的《自然》杂志上发表了评述文章[2]。他认为,这个超新星将帮助人们理解最大质量恒星是如何演化的,超亮超新星是如何形成的,以及,恒星级黑洞是如何形成的。这些都是目前科学家还没有彻底理解的东西。无论揭开哪个谜团,无疑都是让天文学家激动不已的发现。

  一些花絮与一个独家内幕

  这篇论文的第一作者Arcavi是以色列人。2013年读完博士之后,到加州大学圣克鲁兹分校物理系做博士后,同时在LCO工作,成为NASA的“爱因斯坦学者”(Einstein Fellow)。爱因斯坦学者和哈勃学者(Hubble Fellow)是针对在美国从事天文研究的青年博士后的一个基金项目,代表了全美天文学博士后的最高水准。

 



  IairArcavi。图片来源:Arcavi的个人主页lco.global/~iarcavi

  几个月前,Arcavi来伯克利天文系访问了几天,这也是我第一次和他本人见面。在天文系的报告中,他提到了这篇论文遇到的“坎坷”经历:《自然》杂志的编辑希望他能够在论文里写一些更强烈的结论,搞个大新闻,但Arcavi认为自己的数据和分析能够得到的结论就是现在这样的,不能夸大其词,因此坚持不改结论。(感谢伯克利天文系的郑伟康提供了这个内幕,那天我没去系里听报告。)

  此外,上个月引发新闻狂潮的中子星并合引发的引力波事件中,Arcavi也是主角之一:他领先使用LCO的望远镜观测了伴随引力波的千新星,相关论文发表于10月的《自然》[3]。至今为止他已发表了107篇论文。

 



  LasCumbre天文台当前主页顶端的地图,图中的圆点表示其数据处理中心和天文台台址(从左到右:美国夏威夷、加州、得克萨斯州、智利科金博区、西班牙加纳利群岛、英国利物浦、南非苏斯兰、以色列南区、中国西藏、澳大利亚新南威尔士)。位于以色列和中国的台址将分别于明年和后年启动。黄色部分强调其观测到那个在爆发前60年发生物质喷发却没有爆炸的超新星。图片来源:LasCumbre天文台lco.global

  最后还要说一说LasCumbres天文台的背景。谷歌退休副老总Wayne Rosing于2005年成立“LasCumbres天文台全球望远镜网络”(LasCumbres Observatory Global Telescope Network,LCOGT),简称LCO。这是一个私人非盈利机构,现在已陆续架设了20架天文望远镜,口径有0.4米、1米和2米,分布于南北半球和东西半球,可以对光学爆发进行24小时追踪观测。

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还能有习XX厉害,一句话就能改教科书
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恭喜改变教科书
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