十年来最接近的超新星揭示爆炸恒星如何演化

魏洋1

2023年5月21日，在超新星2023ixf的光到达地球四天后，风车星系，或称梅西耶101。鸣谢:史蒂文·贝拉维亚

（）据加州大学伯克利分校（罗伯特·桑德斯）：亚历克斯·菲利彭科是那种会带着望远镜去派对的人。一如既往，在今年5月18日的一场晚会上，他用星团和彩色星系的图像——包括引人注目的螺旋风车星系——让主人惊叹不已，并拍下了每一张望远镜照片。

直到第二天下午晚些时候，他才得知在风车星系刚刚发现了一颗明亮的超新星。你瞧，他也在前一天晚上11点捕捉到了它——在5月19日日本业余天文学家板垣幸一发现爆炸前11个半小时。

几个小时后，加州大学伯克利分校的天文学教授菲利彭科、研究生谢尔盖·瓦西里耶夫和博士后杨熠在汉密尔顿山的加州大学利克天文台推出了他们计划的观测结果，以专注于这颗爆炸的恒星，这颗恒星被命名为SN 2023ixf。他们和其他数百名天文学家渴望观察自2014年以来距离地球仅2100万光年的最近的超新星。

这些观测是有史以来对超新星偏振光的最早测量，更清楚地显示了恒星爆炸的演变形状。来自遥远光源(如超新星)的光的偏振提供了关于发光物体几何形状的最佳信息，即使对于无法空间分辨的事件也是如此。

“一些恒星在爆炸前会经历波动——间歇性的行为会温和地喷射出一些物质——因此当超新星爆炸时，冲击波或紫外线辐射会导致物质发光，”Filippenko说。“光谱偏振测定法最酷的一点是，我们得到了星周物质形状和范围的一些指示。”

光谱偏振数据讲述了一个故事，与当前关于一颗比我们的太阳大10至20倍的红色超巨星最后几年的场景一致:爆炸的能量照亮了恒星在过去几年中释放的气体云；然后喷出物穿过这种气体，最初垂直于星周物质的主体；最后，喷出物吞没了周围的气体，演变成快速膨胀但对称的碎片云。

爆炸是一种II型超新星，由一颗大质量恒星的铁芯坍塌产生，可能留下了一颗致密的中子星或黑洞。这种超新星被用作可校准的蜡烛来测量到遥远星系的距离和绘制宇宙地图。

由加州大学伯克利分校天文学副教授Ryan Chornock领导的另一组天文学家使用Lick天文台的同一台望远镜收集了光谱数据。研究生Wynn Jacobson-Galán和Raffaella Margutti教授分析了这些数据，以重建这颗恒星爆炸前和爆炸后的历史，并发现了它在坍缩和爆炸前三到六年释放气体的证据。爆炸前释放或喷出的气体量可能占其总质量的5%，足以形成一团致密的物质云，超新星爆发物必须穿过这些物质云。

雅各布森-加兰说:“我认为这颗超新星将使我们许多人更加详细地思考整个红巨星群体的微妙之处，这些红巨星在爆炸前失去了大量物质，并挑战我们关于质量损失的假设。”“这是一个完美的实验室，可以更详细地了解这些爆炸的几何形状和质量损失的几何形状，这是我们已经感到无知的东西。”

Vasylyev说，对II型超新星如何演变的进一步了解有助于改进它们在膨胀的宇宙中作为距离测量的用途。

描述这些观察的两篇论文已经被《天体物理学杂志快报》接受发表。Margutti和Chornock是这两篇论文的合著者，这两篇论文目前可在arXiv预印本服务器上获得。

迄今为止研究最多的超新星之一

在超新星的光到达地球后的三个多月里，大约有36篇关于它的论文被提交或发表，随着来自爆炸的光继续到达和各种望远镜的观察结果被分析，更多的论文将会出现。

“在II型超新星的世界里，从硬X射线到软X射线到紫外线，基本上每个波长都被探测到是非常罕见的。到光学，近红外，无线电，毫米。所以这真是一个难得的机会，”伯克利物理学和天文学教授Margutti说。“这些文件是一个故事的开始，第一章。现在我们正在书写那颗星星的故事的其他篇章。”

“这里的大问题是，我们想把一颗恒星的生存方式和死亡方式联系起来，”Chornock说。“鉴于这一事件的接近性，它将允许我们挑战我们在研究大多数其他超新星时必须做出的简化假设。我们有如此丰富的细节，我们必须找出如何将它们结合起来，以了解这个特定的物体，然后这将为我们了解更广阔的宇宙提供信息。”

位于圣何塞附近的汉密尔顿山顶上的利克天文台的望远镜对于天文学家们收集这颗超新星的完整图像至关重要。Shane 120英寸望远镜上的Kast光谱仪能够从普通光谱仪快速切换到光谱偏振仪，这使得Vasylyev和Filippenko能够获得光谱及其偏振的测量结果。由Jacobson-Galán、Chornock和Margutti领导的小组使用了40英寸镍望远镜上的Kast摄谱仪和光度计，光度测量(亮度测量)也是通过年轻超新星实验合作组织从夏威夷的Pan-STARRS望远镜进行的。

物体发出的光的偏振，即电磁波电场的方向，携带着关于物体形状的信息。例如，来自球对称云的光将不会偏振，因为电场对称地抵消了。然而，细长物体发出的光会产生非零偏振。

虽然对超新星的偏振测量已经进行了三十多年，但很少有人离得足够近——因此也足够亮——来进行这种测量。没有其他超新星像SN 2023ixf那样在爆炸后1.4天被观测到。

这些观察产生了一些惊喜。

“最令人兴奋的是，这颗超新星在早期显示出非常高的连续极化，接近1%，”Vasylyev说。"这听起来像是一个小数字，但实际上这是对球对称的巨大偏离."

根据偏振强度和方向的变化，研究人员能够确定爆炸恒星演化的三个不同阶段。爆炸后的一至三天，光线主要来自星周介质，可能是一个物质圆盘或恒星早期释放的不平衡气体团。这是由于爆炸产生的紫外线和X射线电离了周围的气体，以及恒星物质穿过气体，这就是所谓的冲击电离。

“早些时候，我们说我们看到的大多数光来自某种非球形的星周介质，它被限制在大约30 A.U .，”杨说。地球和太阳之间的平均距离是9300万英里，这是一个天文单位。

在第3.5天，极化迅速下降了一半，然后一天后移动了近70度，这意味着爆炸的几何形状发生了突变。他们将爆炸后4.6天的这一时刻解释为爆炸恒星的喷出物从致密的星周物质中爆发的时间。

“本质上，它吞没了星周物质，你得到了这种花生状的几何结构，”瓦西里耶夫说。“直觉告诉我们，赤道平面上的物质密度更大，喷出物的速度会变慢，阻力最小的路径将会朝向环星物质较少的轴。这就是为什么你得到这个花生形状与它爆炸的优先轴对齐。”

在爆炸后的第5天到第14天，偏振保持不变，这意味着膨胀的喷出物淹没了周围气体最稠密的区域，使得喷出物的发射超过了冲击电离产生的光。

冲击电离

Jacobson-Galán说，光谱演化大致符合这种情况。他和他的团队在爆炸后大约一天看到了恒星周围气体的排放，可能是由于喷出物猛烈撞击星周介质并产生电离辐射导致周围气体发光。对这种冲击电离产生的光的光谱测量显示了氢、氦、碳和氮的发射线，这是核心坍缩超新星的典型特征。

激波电离产生的发射持续了大约8天，之后有所减少，这表明激波已经移动到一个密度较低的空间区域，几乎没有气体电离并重新发射，这与Vasylyev和Filippenko观察到的情况类似。

Margutti指出，其他天文学家已经查看了风车星系的档案图像，发现在爆炸前的几年中，有几次祖星变亮，这表明红巨星反复释放气体。这与她的小组观察到的爆炸喷出物穿过这种气体是一致的，尽管他们估计的密度比爆炸前波动所暗示的密度小1000倍。

对其他观察结果的分析，包括X射线测量，可以解决这个问题。

“这是一个非常特殊的情况，我们知道祖细胞以前在做什么，因为我们看到它在缓慢振荡，我们已经准备好所有的探针，试图重建星周介质的几何结构，”她说。“我们知道它不可能是球形的。通过将辐射X射线与Wynn发现的以及Sergiy和Alex发现的放在一起，我们将能够对爆炸有一个完整的了解。”

天文学家感谢众多研究人员和学生的帮助，他们放弃了在Lick的观测时间，使团队能够专注于SN 2023ixf，并感谢加州大学伯克利分校天文学副专家Thomas Brink的观测协助。

Filippenko用Unistellar eVscope拍摄了SN 2023ixf的早期照片，这在业余爱好者中很受欢迎，因为望远镜减少了背景光，因此允许在城市等光污染严重的地区进行夜间观察。他和其他123名天文学家——大部分是业余爱好者——使用Unistellar望远镜，最近发表了他们对这颗超新星的早期观察。

“这个偶然的观察是在天文学领域进行公共宣传时获得的，它表明这颗恒星的爆炸时间比板垣发现它的时间要早得多，”他说，并开玩笑地补充道，“我应该立即检查我的数据。”