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

　　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。
参考文献：

• Arcavi,I.,etal.2017,Nature,551,210-213
  
• Woosley.2017,Nature,551,173-174
  
• Arcavi,I.,etal.,2017,Nature,551,64-66
  
• Heger,A.2013,Nature,494,46-47