https://www.scientificamerican.com/article/strange-supernovae-upend-expectations/

目击恒星的华丽谢幕

超新星爆发是宇宙中最剧烈的天体现象之一,科学家也曾根据以往的观测经验建立起超新星模型。但伴随着望远镜的升级,天文学家发现了越来越多挑战传统图景的非正常超新星

2018 年 9 月 9 日,一架正在例行巡天的望远镜在夜空中发现了一颗仿佛刚刚诞生的星星。在接下来的几个小时里,这颗「星星」变亮了 10 倍,它触发了我制作的用来证认异常天体事件的软件警报。那时加利福尼亚正处于夜晚时分,我正在睡觉,但是在地球另一边的同事很快地对这个警讯做出了反应。12 个小时以后,我们从地基和天基望远镜获得了足够的数据,证明这起事件是遥远星系中一颗恒星的爆炸——一颗超新星。但它并不是一般的超新星。

把从不同望远镜获取的证据联系起来,我们得出了结论,这颗恒星在闪耀了数百万年之后,做了一些惊人的神秘事情:它突然抛开了表面的数层气体,形成了环绕它自己的一个茧囊(cocoon)。在几天或一周后,这颗恒星爆炸了。爆炸产生的残片猛烈地撞击茧囊,产生了异常明亮而短暂的闪光。因为这次爆炸发生在一个遥远的星系——其光亮到达地球花了几乎十亿年——它太暗了,肉眼看不见,但是对于天文台的专业望远镜来说它足够亮了。通过对望远镜以往数据的回溯查询,我们甚至能够发现在爆炸前两周正在抛射物质的这颗恒星,而那时它的亮度只有爆炸时的百分之一。

最近的一些发现表明,恒星死亡方式的多样性令人惊奇,这个发现只是其中之一。有时,超新星爆发后留下来的恒星残余核心,在这颗恒星坍缩后仍然保持活跃——它可以射出一束以极端相对论性速度运动的物质喷流,并且这种喷流在摧毁恒星时,能释放出比普通超新星爆发更大的能量。有时,一颗恒星在它生命的最后几年到几天里,会在一系列猛烈的爆发中抛出大部分的气体。这些极端的死亡案例貌似很稀少,但它们的存在告诉我们,对于恒星生死的基础问题我们还不够了解。

现在我和我的同事正在搜集那些不同寻常的、挑战我们传统认知的恒星终结案例。我们开始能够提出和回答一些基础问题:哪些因素决定了一颗恒星如何死亡?为什么一些恒星以爆发或者猛烈的喷流终结它们的生命,而另外一些只是简单地爆炸?

一颗新的恒星

恒星的诞生、演化、死亡,是一个不同力量相互竞争的故事。在氢气组成的星际云里,一部分星云在引力作用下收缩,克服了由磁场和粒子高速运动产生的向外的推力,恒星就在这部分星云中形成。在坍缩的过程中,它的密度增大了 20 个量级,温度升高了数百万度——高到足以使氢原子碰撞后黏在一起形成氦。聚变开始,一颗新的恒星诞生了。

像星云一样,恒星本身也是一个战场,引力往里拉,来自核聚变的压力往外推。一颗恒星的演化依赖它的温度,而温度反过来又取决于恒星的质量。恒星越重,能形成的元素就越重,燃烧燃料的速度也就越快。最轻的恒星在氢燃烧形成氦后就停在那儿——太阳已经超过四十亿岁了,它还在燃烧它的氢。更重的恒星生命更短,大约只有一千万年,但是拥有更长的元素形成链:氧、碳、氖、氮、镁、硅,甚至铁。

一颗恒星的质量也决定了它如何死亡。质量较小的恒星——那些轻于大约 8 倍太阳质量的恒星,死得比较平静。在消耗完它们的核燃料之后,这些恒星的外表层被吹到太空中,形成了美丽的行星状星云,留下这颗恒星的核心暴露在太空中成为一颗白矮星。这是一颗炽热、致密的天体,质量是太阳的一半左右,但体积却与地球相差无几。

然而,质量更大的恒星因为它们核心巨大的温度和压力,会有一个更猛烈的终结。大约在核反应链燃烧形成到铁的时候,周遭环境变得如此炽热以至于所有物质开始土崩瓦解——铁原子会开始破碎成小碎片。此时核聚变反应链被截断,这颗恒星失去了它内部的支撑力。向内拽的引力占据了绝对的统治地位,恒星的核心开始坍缩,直到其中原子十分靠近,让另一种斥力——强核力介入。此时这个恒星核心已经变成了一颗中子星,一种大部分由中子组成的极端致密的物质状态。如果这颗恒星足够巨大——比如说超过 20 倍太阳质量——引力甚至能克服核力,中子星就进一步坍缩成了黑洞。不管怎样,当恒星核心坍缩的时候,一些能量释放出来,将恒星的外表层推入太空,制造了一次爆炸,这爆炸极其明亮,超过了星系中其余恒星亮度的总和。

人类已经靠裸眼观察超新星几千年了。在 1572 年,一位名叫第谷・布拉赫(Tycho Brahe)的丹麦天文学家注意到了一颗仙后座中新出现的星星。它像金星一般亮,并在保持这种亮度数个月之久后才逐渐黯淡下去。第谷写道,他震惊到要怀疑自己的眼睛。那次爆炸的后果——那些碎片残骸——到今天还能够看见,就是著名的第谷超新星遗迹。

对于一颗超新星来说,要亮到能被裸眼看到,那它必须像第谷超新星一样处于银河系中,或者在银河系的卫星星系之一,但是这些情况很稀少。虽然我也希望能在没有望远镜的帮助下看到一颗超新星,但我这一生可能都没有这种机会。在过去的一个世纪里,天文学家开始用望远镜寻找银河系之外的超新星,他们重复观测相同的星系,寻找昙花一现的变化事件,这些事件被称为瞬变源。我们的望远镜如今配备了现代相机,并且可以自动化观测,让我们每年能够发现数以千计的超新星。

20 世纪 60 年代发现的伽马射线暴,是表明某些恒星会以极端方式死亡的早期例证。这类天体物理事件之所以被称作伽马射线暴,是因为它们会发射出极强的伽马射线。伽马射线暴出现于大质量恒星坍缩成中子星或黑洞时。新诞生的致密天体发射了一束很细的物质喷流,喷流从恒星的核心以及核心外面的残留物里冲出来,并且这束喷流正对着地球,就会成为我们能探测到的伽马射线暴。

这束喷流是如何形成的?最基本的想法如下所述。当一颗普通的恒星用光了燃料而死亡时,它的核心坍缩成一个中子星或者黑洞,这就结束了。然而,在一次伽马暴事件里,爆炸残骸仍保持活跃状态。这可能是新生的黑洞从环绕它的盘状物中吸收物质并释放能量。或者是新生的中子星转得很快,其强大的磁场起到了制动的作用,在星体旋转慢下来的过程中释放能量。不管怎样,这种「中心引擎」产生的能量灌入了极端炽热的等离子体组成的喷流。这束高速喷流从星体中心穿出去,并穿过外面的下落物质,发出伽马射线。

喷流穿透恒星的旅程,导致恒星爆炸成为一种特殊的超新星——Ic-BL 型超新星——比普通超新星能量高十倍以上。当这束喷流冲入周围的气体和尘埃中时,它产生了横跨整个电磁波谱的光,被称为余辉(afterglow)。余辉通常很难发现,因为它们虽比典型超新星亮一千倍,但转瞬即逝,从出现到消失仅仅只有数小时,这比普通超新星快了 100 倍。发现余辉的最大希望就是等待卫星发现一例伽马暴事件,然后立即将你的望远镜指向卫星报告的伽马暴方向。

但是,等待卫星发现伽马暴射线这种方法,可能会限制你所能发现的现象的种类。很多事情要正好对上,伽马射线暴才会产生:必须有喷流,喷流还要能够穿透恒星星体,且要正好指向你。事实上,除非喷流以 99.995% 的光速运动,伽马射线暴似乎是不可能发生的,喷流激发的伽马光子会被困住。但要达到这么高的速度,喷流穿透恒星星体的时候,就不能拖带恒星的物质。如果喷流的大部分都被拖慢了,我们看到只是一小部分毫发无伤地穿透星体的喷流,那会怎样?换句话说,伽马射线暴可能代表了那些喷流逃离星体,而没有减速太多的稀少案例。如果这是真的,那就会有大量伽马射线卫星根本看不到的恒星极端方式死亡案例。

我的研究不打算依赖卫星的触发来找到余辉。我的计划是用茨威格瞬变源设备(Zwicky Transient Facility,ZTF),这是位于加利福尼亚帕洛马天文台的一架自动望远镜,它的目的是通过巡天找寻转瞬即逝的非常明亮的光点——然后迅速作出反应。当我在 2018 年 5 月展示论文选题时,我的导师警示我,我可能并不能找到我想要的东西。但他们力劝我要保持开放思维,因为新的探究方向可能会出现。一个月后,这样的事真的发生了。并且两年后当我毕业时,我的论文看起来和我的预期大相径庭。

好运连连

当我开始我的工作时,我写了一个程序,去找那些亮度变化比普通超新星快的天体现象。平常每天我会检查 10 到 100 个不同的候选体并得出结论,但它们中没有一个是我正在寻找的目标。然而,在某些日子里,我遇到了一些让我驻足的事情。

2018 年 6 月,我看见来自 ATLAS 自动望远镜的一个报告,报告说发现了一例奇怪的事件——AT2018 cow。「AT」代表着天文瞬变源(Astronomical Transient),所有新发现的瞬变源都会赋上这个前缀,「2018」代表着发现年份,而「cow」是它独有的一串字符(用以标识)。在接下来的几天里,有了一些关于这例事件与伽马暴相似处的报道,但是还没有探测到伽马暴。「阿哈」,我想,「就是它了!」因为 AT2018 cow 是如此的亮、如此的近,全世界都在密切关注这个天体,天文学家在整个电磁波谱上对它进行观测。我立即制定计划,用位于夏威夷的亚毫米波射电望远镜阵观测了 AT2018 cow。

AT2018 cow 震惊了所有人,它展现出和以往观测到的宇宙爆炸事件完全不同的特性。我们就好像那个经典寓言故事中盲人摸象里的人一样:一个人摸到象鼻就说它是一个水管,另一个人摸到耳朵,就认为它一定是一把扇子,第三个人摸到象腿,就说它是一棵树。类似的,AT2018 cow 和几个不同种类的爆发现象都有着共同的特点,但是很难把这些特点一起放在一个完整的图景里。

我和同事花了很长的时间一遍遍地分析我们的数据,试图弄清楚怎么解释它们。在那段时间里,有一次我们一起在黑板上计算激波的性质,一个组员从走廊里跑过来,手里挥舞着一张纸,纸上是一些漂亮的计算结果,我的一位同事看后眼睛里充满了震惊——那是我在研究生学校里最宝贵的记忆。最终,我们得出结论,AT2018 cow 有两个重要的构成组份。第一个是中心引擎,就好像伽马射线暴中的中心引擎一样,但是持续时间更长——几周而不是几天;从爆炸中心发射出的明亮 X 射线维持的时间比预期要长。第二个是,因为某些原因,当这颗恒星爆炸时,它被由百分之一太阳质量的气体、尘埃组成的茧囊包裹。我们关于茧囊的证据是间接的:当这颗恒星爆炸时,我们看见了光学和射电的闪光,那似乎表明是残片正在撞击环绕着星体的物质。天文学家曾在其他种类的爆炸中看到过这样的茧囊,但是我们不知道它们是怎么出现在那儿的,可能这些物质是在爆炸前不久被恒星抛离的。

如果这个理论正确,那这将是天文学家第一次直接见证了中子星或者黑洞这样一颗致密星的诞生;大部分时间里,这残骸被恒星其他的残余物包裹着。但在 AT2018 cow 这一案例里,我们认为我们事实上看到了里面的致密星,这些变化惊人的明亮 X 射线正是由其产生。然而我们仍有许多问题:爆炸的是什么类型的恒星?中心引擎是一颗中子星还是一颗黑洞?为什么这颗恒星在爆炸前不久抛射物质?为了进一步弄清楚这些问题,我们需要找寻类似的案例。所以,我的同事和我着手用 ZTF 去寻找另一个 AT2018 cow 这样的案例。

三个月后,我想我们找到了一例——2018 年 9 月 9 日那例明亮的、亮度快速上升的爆炸。起初它看起来与 AT2018 cow 非常相似。但是在一周内,我们可以清楚地看出这是一例 Ic-BL 型超新星——这种类型与伽马暴相关联,它的名字叫 AT2018 gep。我那时非常兴奋,当然,它不是另一个 AT2018 cow,但是我们最终找到了一个看起来像是伽马暴的事件。在五天内,我们搜集了详细的覆盖电磁波全频段的观测数据。我们在数据中搜寻喷流的证据——但是我们什么也没找到。又一次,我和我的同事得出结论,我们正看到的是爆炸残片与茧囊物质撞击而发射出来的明亮的、快速演化的光学辐射。

这称得上是一个惊喜。虽然我们已经看到过茧囊环绕着其他类型的恒星,但是在那些与伽马暴相关联的超新星周围,这种结构看起来并不是很常见。我们的发现意味着,有比原先预计更多的恒星在它们生命最后时刻抛射出气体。我们知道气体是在恒星生命的最后时刻被抛射的,是因为在爆炸的时候,它们离恒星太近了;如果这些气体被抛离得更早的话,它们就有时间到达更远的地方。这意味着恒星在闪耀了数百万到数千万年之后,在生命的最后几天到几周的时间里,失去了它外大气层的一大部分。就好像是这种抛射气体的行为预示着恒星的死亡。

再一次,我们又有了很多新问题:对于不同类型的恒星,这种死亡征兆有多普遍?产生它们的物理机制是什么?我意识到我的研究现在有了一个新方向——不仅仅是伽马暴和喷流了,还有大质量恒星即将要爆炸的警示讯号。并且这些不同的现象可能是相关联的。

我在博士项目的最后六个月才最终找到一例伽马暴余辉。2020 年 1 月 28 日,我在例行检查候选体的时候,看到了一个天体,它可能正是我想要找的目标。我知道不能高兴得太早,这几年来,让人空欢喜一场的假警报实在太多了。我立即请求一架位于卡纳里岛拉帕玛的望远镜进行额外的观测,他们证实这个源变暗得很快,预期是一例余辉事件。那个晚上,我也请求位于帕洛马天文台 200 英寸的哈勒望远镜(Hale Telescope)做了紧急观测,观测显示这个源还在变暗。第二天晚上,我们得到了雨燕 X 射线空间望远镜(Swift X-ray space telescope)的观测结果。它观测到了来自这例事件的 X 射线,这些都证明这起事件真的是一起 GRB 余辉事件。再接下来的一天晚上,我还得到了一段位于夏威夷莫纳克里山的凯克望远镜(Keck Telescope)的窗口时间,我带着能够测量出这起爆炸离我们多远的希望,进行了观测。

那天我在加州理工学院的远程观测室里,睡在一个睡袋里,并且定下了凌晨 4 点钟的闹钟。当观测时间到来的时候,我很惊慌——我的时间被挤在夜晚快要结束的时候,天很快会变亮,而要观测的这个源很暗,我就怕观测得太晚,数据质量不高。我尽我可能地拼尽我的全力。当天亮到实在不能再观测的时候,我用 Skype 软件打电话给我的同事丹・珀利(Dan Perley),他在英国利物浦约翰摩尔斯大学,我们一起查看了这些数据。我非常幸运,这个源很暗,但这起事件发出的光中有一个很大、很明显的特征使得我们能够测量距离。测出来的距离显示它非常远:红移 2.9,这意味着这起事件发出的光在穿过茫茫宇宙的时候被显著红化了。当这颗恒星爆炸的时候,宇宙只有 23 亿岁,爆炸产生的光子用了 114 亿年才到达地球。今天这个爆炸的位置在 210 亿光年之外——这例爆炸发生得是这样久远,从那时到现在宇宙膨胀得非常明显。这是货真价实的数据。

在找到第一例余辉之后几个月,我们找到了第二例。这是什么概念呢?在 ZTF 之前,只有三例余辉的发现是没有依赖伽马暴指明方向的,而我们仅仅在几个月内就不依赖伽马暴发现了两例余辉。现在我们的搜寻策略已经理顺并起效了,我希望我们可持续不断地找到余辉。然而,即使手上有两例余辉,我仍然不能明确地回答我一开始要去回答的问题。很难去分辨某例余辉是新的恒星爆炸方式,还是一例高能观测卫星恰巧漏掉的伽马暴。在能够分辨我们是否观测到了真正的异常现象之前,我们还需要找到更多的事例。

扩展星表

自发现 AT2018 cow 这个出人意料的新型引擎所致爆炸开始,我的研究已经发现了多种多样不同寻常的恒星级别事件。有奇怪的 Ic-BL 超新星(这种类型的超新星与 GRB 相关联)撞向茧囊物质,但是没有显示出有任何强力喷流的证据(喷流是 GRB 的标志)。还有另一例事件与 AT2018 cow 很相似。也有两例 Ic-BL 超新星可能有喷流,但是这些喷流比传统伽马暴中的喷流能量更低,且展开角度要更宽。最后,在研究生快毕业的时候,我终于找到了两例宇宙学余辉,并确认其中一例有与其相关的伽马暴。

到目前为止,我们天文学家就好像动物学家一样,进入未知的领域,描绘出所有我们看见的不同生物的特征(在我们的领域,就是不同的爆炸)。下一步就是找寻爆炸模式。每种爆炸的相对发生率是多少?它们似乎只发生在某种类型的星系里,而不会出现在另外一种类型的星系里,事实真的是这样吗?这些不同的种类实际上是不同的「物种」,还是同一现象的不同表现?

为了回答这些问题,我们需要一张大得多的爆炸事件表。现在还在智利建造,几年以后开始运行的薇拉・鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)将会用有史以来最大的数码相机(30 亿像素)每晚监视一千万个潜在瞬变——比 ZTF 现在还要多 10 倍。有了更多的数据,我想去研究哪些恒星会在死亡前丢失质量,并且这个频率是怎么样的。我想要去研究如何分辨是否有一个喷流被阻挡在恒星中,如何识别恒星死亡时发出的微弱辐射,以预测恒星何时何地爆炸。最终我想要探究导致这些不同寻常死亡的原因——可能是恒星的自转速度,或是与其他恒星相互作用的历史,使恒星以如此壮观、少见的方式死亡

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