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超巨星死亡的秘密

2023-12-20 17:05:58 來源：中國科學報

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距離地球“只有”大約2200萬光年的超新星SN 2023ixf發生了爆炸，也許它不是浩渺宇宙中最獨特的星體，但其爆炸卻對地球上的科學家意義重大，因為非常近——它是近十年來離我們最近的超新星之一。

通過觀測這次爆發，科研人員取得了一批突破性成果。

其中，清華大學物理系教授王曉鋒帶領團隊，通過與國內外天文愛好者密切協作，首次提取和分析了超新星爆炸后約1小時的多色測光數據，見證了極早期激波輻射由紅變藍的奇特現象，為揭開超巨星死亡之謎提供了全新線索。

該研究成果以《一顆周圍布滿塵埃的紅超巨星爆發出激波閃光》為題在線發表于最新一期《自然》上。

空白：恒星的死亡瞬間

論文通訊作者、清華大學物理系教授王曉鋒告訴《中國科學報》，大質量恒星演化到生命末期時，通常會產生核心塌縮爆發。這個過程引發的激波迅速突破恒星外層，并產生短暫的強烈輻射，瞬時輻射可以達到10萬開爾文。

這一極早期信號，也是激波穿透瀕死恒星的軀殼并記錄沿途復雜物理過程的旅行日志，攜帶了激波傳播、超新星爆發幾何性質及周圍環境等關鍵信息。

然而，高速的激波在短短幾小時內就會耗散。

此前的觀測記錄都始于恒星死亡后四五個小時左右，也僅限于單色，基本都是溫度非常高的藍色激波。

“只有得到不同波段的信息，通過比對，才可以得到更多信息。”王曉鋒解釋道，“也就是說，我們對恒星死亡這一瞬間的了解仍可謂空白。”

此次研究涉及的SN2023ixf，也是迄今為止最亮的超新星之一。其所在的M101星系是著名的風車星系，12年前曾經爆炸產生過一顆明亮的超新星，加上漂亮的造型，成為國內外天文愛好者熱衷拍攝的目標。

非常近、特別亮，正意味著民間天文愛好者的小口徑望遠鏡，也能夠探測到這次爆炸事件！

思路：反向操作

事實上，在爆炸發生前一天，就有愛好者對準星系開始拍照了。要把圖像拍得漂亮，他們往往連續拍幾個小時，再把這些圖像疊加起來，才能看得特別清晰。

研究人員意識到，如果能夠解決業余相機的流量定標問題，通過這些彩色圖片，將能夠分析出一顆大質量恒星死亡后的極早期信息。

因為，專業機構使用的黑白相機一般通過按時更換濾波片分別收集單色波段信息，會產生延遲。而天文愛好者使用的RGGB彩色相機，同時收集多波段信息，卻較難以進行流量定標。

王曉鋒組織團隊即刻啟動了后續觀測，同時廣泛聯系國內外天文愛好者，獲得了覆蓋超新星爆發前后的彩色圖像。

“彩色相機中有紅色R、綠色G、藍色B等顏色通道，拿到彩色圖像后，我們反其道而行之，將各顏色波段的信息獨立抽取出來，再進行精細的流量定標、顏色比對，得到了可靠的SN2023ixf極早期多色測光數據。”王曉鋒說。

《自然》審稿人認為，收集和仔細分析這些獨特的數據，是實現該成果的重要步驟。

當然，研究團隊面臨的一個現實情況是，愛好者的數據有一大部分是在網絡上公開發布的，所以國外學者的相關研究也在爭分奪秒開展，競爭很激烈。

該團隊夜以繼日，與時間賽跑，反復分析數據、調整模型、修改論文，結束一天工作時，常常發現已經到了凌晨兩三點。在爆炸事件后50天左右的時間，同時完成了3篇論文的投稿，除本成果，還有針對該超新星爆發產生的早期電離光譜的分析研究文章發表于《科學通報》，以及探討SN2023ixf前身星的工作發表在《中國科學：物理學力學天文學》。

顛覆：“死亡”激波先紅后藍

這些前所未見的彩色影像及后續觀測圖像，揭示了一顆約8500萬倍太陽體積的紅超巨星從死亡到爆發，形成超新星2023ixf爆發的全過程。

頗為顛覆的是，多波段觀測清晰展示了超新星爆發極早期，是紅色激波破繭而出，經過約2小時后逐漸轉變為藍色激波。而在傳統理論預期中，恒星死亡瞬間伴隨的是藍色激波突破。

紅圈為SN 2023ixf爆發位置，圖中標示出了相對爆炸后的時間，可以清晰看出超新星早期激波輻射隨著時間推移，逐漸變藍變亮。本文圖片由課題組提供

研究團隊認為，由紅轉藍的漸變激波，預示了這顆紅超巨星瀕死時，周圍包裹著厚厚的塵埃殼，彷如一層蠶繭。隨恒星死亡產生的紅色激波迅速外傳，這些塵埃被攜帶超高能量的激波在數小時內被悉數瓦解，隨后，激波轉變為超高溫的藍色激波。

關于塵埃殼的推測，與哈勃等其他望遠鏡拍到的圖像也是吻合的。

由紅轉藍的激波突破，如同揭開了籠罩瀕死恒星的一層濃厚的塵埃面紗。

這一發現，顯著推進了人們對大質量恒星晚期演化和死亡這一宇宙中普遍而神秘景象的認知。其中不可或缺的極早期彩色圖像，至少一半來自國內愛好者，“聽說要一起‘整’個大新聞，大家特別激動，都很支持。”王曉鋒感慨于國家整體經濟實力和我國民眾科學素養的提升。

“將各波段信息從彩色圖像中提取出來，本身沒有多大技術難度，花幾天時間寫個代碼就能實現，就像捅破層窗戶紙。”因此，王曉鋒希望這種分析思路，以及研究人員與愛好者密切協作的探索氛圍，能將天文領域的科研發現推進一大步，并激發社會群眾更廣泛、深入地了解科學、熱愛科學。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06843-6

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