探索大质量恒星爆炸的经典故事

天文学家是不会局限于人类和人类的时间尺度的。天体往往会花上千上万甚至上亿年的时间演化。偶尔宇宙也会给人们带来意外的礼物，例如三十年前出现在天空中的一场光芒夺目的爆炸。

超新星SN 1987A记录了一颗大质量恒星的死亡，其发光的遗迹位于银河系的卫星星系——大麦哲伦星云（LMC）。在天文术语中，大麦哲伦星云属于近距星系。这大致意味着望远镜能够清晰地观测到超新星遗迹的细微变化。假如这场爆炸发生在数百万光年之外，就没法在地球上观测到了。

宾州州立大学的科学家法丽·弗兰克（Fari Frank）说，“它在人类的时间尺度上发生变化。”这种天体的独特性质，让她以及研究SN 1987A的科学家们产生了持久的兴趣。

在银河系大小的星系中，超新星平均每世纪出现一次，但银河系的下一颗超新星迟迟没有到来。因此，我们对于来自近距星系的惊喜表示欢迎。天文台追踪超新星从爆炸演化至超新星遗迹的每一个时期，并将这些细节拼凑起来，以研究这场爆炸以及发生爆炸的原恒星。科学家们尚无法获得其它超新星的相关数据，所以，超新星SN 1987A不仅仅给我们带来了惊喜，还可以用于研究超新星的普遍特性。

三十年间，我们持续对超新星SN 1987A进行了多波段观测，最近有什么新成果呢？

（2006年拍摄。箭头所指的小点即为SN 1987A遗迹。来源：ES0）

历史性的一刻

1987年2月23日，超新星SN 1987A——一颗熠熠闪耀在南天的新星出现在人们的视野中。起初科学家们不敢相信爆炸的发生地点离银河系相当近，以为是同事在开玩笑。但没过几天，全球的天文学家们争先恐后地观测这颗亮星，确定了它位于邻近的大麦哲伦星云（LMC）。这个位置不能更好了——因为几乎所有银河系的超新星都被星际尘埃所重重遮蔽。

通过对比超新星SN 1987A所在区域爆炸前和爆炸后的照片，科学家们很快确定了发生爆炸的原恒星。该超新星的前身Sanduleak -69°202是一颗蓝超巨星，质量为太阳质量的数倍，恒星内部剧烈燃烧，表面是蓝色。如同所有的恒星一样，这颗恒星内核的温度和压力足够高，提供发生核聚变的环境，制造重元素。

恒星合成铁元素时，生成更重的元素的聚变反应就停止了。星核在引力的作用下开始向内坍缩。当恒星内核达到中子的密度时，星体爆炸，恒星的外部会被抛出，并且释放巨大的能量，在爆发的遗迹中会留下一颗中子星或者黑洞。但科学家们目前还没找到关于中子星和黑洞的任何证据，这是SN 1987A遗留给人们最大的谜团。

气体爆炸层从爆炸中心以不同的速度冲出，最快可以达到十分之一光速。之后的数年，由于爆炸产生的放射性元素分散在超新星遗迹中，超新星得以继续燃烧。放射性元素衰变逐步释放能量，加热气体。1990年后，SN 1987A的放射性元素不再推动超新星遗迹的膨胀，因此气体冷却下来，光线逐渐暗弱。

1997年后，SN 1987A遗迹又重新增亮，这次不是因为放射性物质，而是高速气体激波从爆炸点冲出，与周围的星际气体剧烈相撞，并因此加热了星际气体。由于能量的大量涌入，被加热的气体将额外的能量辐射出来。1997年科学家们用哈勃空间望远镜在光学波段第一次观察到了这种辐射——它们看起来像一串珍珠项链，珍珠部分就是能量辐射最强烈的地方。

1999年7月，钱德拉X射线望远镜（the Chandra X-ray Observatory）成功发射。三个月后，科学家们获得了第一张SN 1987A的X射线照片。大概半年后，大卫·伯罗斯（David Burrows）用X射线望远镜拍摄到了超新星遗迹的照片，照片中的气体环呈圆环状，炽热燃烧着，温度高达1,000,000K。但钱德拉X射线望远镜的分辨率不足以将细节分辨出来。

天文学家现在查明了物质环的来源：在爆炸的前两万年，Sanduleak -69°202向外抛散出这些气体，抛散出的自身物质相当于几倍太阳质量。但对于这一过程的解释，科学家们的观点并不一致。有人认为是因为恒星自转速度太快，导致抛出了赤道上方的大密度星风，另一些认为是两颗大质量的恒星在几千年前合并而释放气体。

被抛出的物质与爆炸产生的激波相比，速度十分缓慢，所以激波撞击原先形成的环系时，会使气体开始燃烧发光。从1997年起，在每一张哈勃望远镜拍摄的照片中，气体环一直在发光，直到最近光线才消失了。

（超新星遗迹分析）

内外通明——点亮新的区域

现在，激波传播的距离已经超过了气体环。瑞典科学家克拉斯·弗兰森（Claes Fransson）和约瑟芬·拉尔森（Josefin Larsson）主持了近期哈勃空间望远镜对气体环的观测，结果显示，气体环的“珍珠”结构亮度越来越暗弱，光亮不再。在原来的主环之外，出现了新的尘埃团。科学家们观察离爆炸地点越遥远，就能追溯得越久远。这意味着，移动在最前面的激波抵达了这片新区域，它为科学家们讲述，除了两万年前形成的气体环之外，Sanduleak -69°202还曾向外抛散了什么。“随着激波继续前进，我们会看到更多原恒星质量的损失过程。

当钱德拉望远镜在X射线波段不再能分辨“珍珠项链”结构时，数据显示气体环的亮度稳定了下来。与伯罗斯一起研究钱德拉数据的弗兰克说，“激波穿过气体环，去往别的地方。有趣的是，我们不知道它们去到了哪里。”

气体环处的X射线辐射比超新星遗迹的其它区域都要强烈。但是很快气体环就会暗淡下来，弗兰克和伯罗斯期待着其它的X射线可见的区域。具体来讲，他们在寻找第二次到来的激波所碰撞的物质。伯罗斯说，“当激波猛烈撞击气体环的内缘时，大部分都能穿过边缘，加热气体，从而点亮环系；但是另一部分激波会被内缘反射，现在他们又重新跋涉到了遗迹内缘。这就是反射激波。”

（红色部分为ALMA拍摄的爆炸中心的碳氧化合物。

来源 : ESA/NASA/HERSCHEL/SPITZER/ESO/ALMA）

乍暖还寒——气体环的冷却

超新星爆炸释放出巨大的能量，达到惊天的温度。由于激波将原子激发到上百万摄氏度，直到今天SN 1987A的气体环仍在辐射光波和X射线。气体环的观测持续了三十年，很容易推测出整个超新星遗迹一定还很炽热。但是气体环是个例外，它的温度十分寒冷。

在爆炸区域的中心，物质已经膨胀扩大开来，伴随着能量辐射和热量释放。事实上，遗迹的中心区域已经足够冷却，为原子形成分子和一些分子聚合形成尘埃粒子提供了环境，这里的温度在20-100K之间（地球上的水的冰点为273K）。为了研究这些低温物质，科学家们将观测重心转移到低频电磁波，可用的仪器有红外望远镜和亚毫米波天线阵。

在此研究中最不可或缺的一个工具就是ALMA（阿塔卡玛大型毫米波天线阵），它可以分辨出距离仅仅0.05″的两个天体，比哈勃望远镜所能达到的分辨率甚至还要更好。为了研究SN 1987A内低温尘埃的辐射，当时在伦敦大学学院的松浦未华子（Mikako Matsuura）和她的同事收集了尚未完工的ALMA在2013年的数据和欧南台赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory）2012年在红外波段的数据，发现遗迹中的尘埃数量庞大，大约是太阳质量的1.5倍。

天文学家所说的尘埃并不是平时路边扬起的尘土，它的质地更像烟雾。星际尘埃的大小在几个原子直径到0.1毫米之间，辐射温度只有20K左右。

科学家不可能用秤称出SN 1987A中心部分的质量，松浦的团队转而使用过去三十年内科学家们使用的工具：收集电磁波。从物质辐射的电磁波的类型可以推断出其温度，并且更明亮的信号意味着更多物质。松浦说，“所以从天体的亮度可以得到它的质量，这是只是简单的物理知识。”然而不那么简单的是，认识星尘形成和毁灭的过程。

（ 将三年的照片叠加起来的SN 1987A的三个环系。

来源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM/AURA）

绘制星图

这个研究小组同时也使用ALMA和红外望远镜来观察超新星遗迹中喷射出的分子。然而对于星尘的研究给科学家们带来的信息有限——例如对于“什么类型的物质能够产生微观粒子呢？”这样的问题，观测分子的类型能更好地给出物理解释。每种类型的分子都是由一种元素的独特组合，辐射出不同颜色、不同波长的光。这意味着科学家们可以通过仪器得到光的波长，从而计算出被检分子的类型。他们还能得到一系列被检分子的附加信息：运动的方向和速度（朝向或者远离望远镜方向）、温度（只有在特定温度时某些分子才会存在），以及分子的数量。科学家们整合这些细节后，可以得到爆炸恒星内部的信息。

然而，探测低温分子并不是研究古老的原恒星的唯一方法。

科学家们已知在超新星爆炸时产生的放射性元素，可以用相对应一个特定波长的高能X射线追踪。研究人员使用NASA的高能X射线原子光谱望远镜（NuSTAR X-ray observation）2012至2014年间的数据，对钛-44的分布进行了研究。钛元素在遗迹中的分布可以揭示，在发生爆炸时，原恒星内部在进行如何澎湃的运动。同时，分布情况也可以反映爆炸的不对称性。

拉尔森在用哈勃望远镜对气体环的“珍珠项链”进行光学研究的同时，她也在绘制遗迹中不同元素和分子的运动情况。为了从喷出物中找出更多的爆炸细节，她使用了哈勃和甚大望远镜（the Very Large Telescope in Chile）的数据。

具体来说，拉尔森会测量每一个气体云在视向方向的运动，用这些数据计算出它们离地球的距离。她说，“我们会把这些数据和ALMA获得的分子信息结合起来，建立起一个更加细致的关于不同元素和分子的三维分布图像。”迄今为止，拉尔森和她的同事们已经绘制了氢、铁、硅、钙、镁和氧元素的分布图。另外，这些元素的分布都不对称。

大量证据显示，SN 1987A的爆炸是不对称的；今后，也许科学家们对爆炸方式会有更深入的了解。大多数计算机模型都未能成功模拟超新星的形成——它们在发生爆炸时就跳出了，无法引发爆炸。但是超新星确实在宇宙中出现过，并把它的物质抛射到星际中。SN 1987A及其遗迹为计算机模型提供了最优的约束条件。

在SN 1987A及其遗迹的研究方面，天文学家们有着远大的目标，为了这些目标，他们也将继续观测。观测正在演化中的天体的机会不多，科学家们也没有因爆炸发生在近距星系而掉以轻心。在近距星系的下一颗超新星爆炸之前，SN 1987A一直都是研究超新星的最佳选择。弗兰克说，“只要我们可以，就理应观测它。在很长一段时间内，它可能是我们探索超新星的唯一可能。”

图片转载自网络