一恒星突喷出太阳那么多的物质，然后它...爆炸了！

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编译：刘 峰

校对：刘 峰

编排：朱宸宇

后台：朱宸宇

艺术家对SN 2023ixf的想象图。SN 2023ixf是新近爆发的一颗超新星，是近十年来最接近的II型超新星之一，也是迄今为止最亮的超新星之一。该超新星是今年早些时候由日本山形县的业余天文学家板垣公一发现的。

图源：梅丽莎·韦斯/CfA

在一颗大质量恒星发生超新星爆发之前会发生什么？为了弄清楚这一点，天文学家需要跨越多个光学波段，观察“刚刚诞生”的超新星。幸运的是，在2023年5月发生了SN 2023ixf超新星爆发。研究表明，它衰老的前身恒星在死亡前爆掉了相当于太阳质量大小的物质。现在，最大的问题是：为什么？

SN 2023ixf位于风车星系中，距离我们约2千万光年。在宇宙的尺度上，这已经算是离我们非常近了。哈佛大学天体物理中心（CfA）的天文学家团队在超新星爆发后不久使用各种望远镜对其进行研究。在日本业余天文学家板垣公一首次观测到超新星爆发后不久，超新星的亮度大大增加。这是意料之中的。因为当爆炸产生的冲击波到达恒星的外边缘时，就会发生这种情况。这就是所谓的“激波突破”。

拍摄于2023年1月27日的SN 2023ixf的复合图像。照片在SN 2023ixf的前身恒星爆炸仅一个多月后，使用哈佛天体物理中心（CfA）的弗雷德劳伦斯惠普尔天文台的1.2m口径望远镜拍摄。这幅合成图像结合了绿色、红色、近红外和红外光，以突出 SN 2023ixf 和风车星系。SN 2023ixf位于星系的一个旋臂之中，那里富集众多的大质量恒星。

图源：S. Gomez/STScI

然而，激波突破所表现的特征并不符合天文学家对典型核心坍缩（II型）超新星的期望。它似乎被推迟了，现在还不清楚为什么。多波段光学观测揭示了其在爆炸前喷出了的太阳质量大小的物质。

超大质量恒星在爆发超新星时的质量损失

“延迟的激波突破是近期质量损失中存在致密物质的直接证据，”领导观测的哈佛天体物理中心博士后研究员平松大知说。他指出，这种极端的质量损失是非典型的II型超新星现象。“我们的新观测结果显示，在爆炸前的最后一年，质量损失很大，接近太阳的质量。

恒星终其一生都会损失质量，这发生在恒星核心核聚变的各个阶段（通常称为“燃烧”），氢被聚变融合成氦，并依此类推，直至元素太重无法发生聚变。这将在大约5亿年后发生在太阳身上。结果，它将膨胀并开始通过恒星风失去质量。从本质上讲，每个元素都成为下一阶段核心聚变的燃料，每个阶段都会加热恒星，使其膨胀并失去质量。

恒星注定要以核心坍缩成为超新星结束生命，在其一生中，它们在氦燃烧、碳燃烧和硅燃烧过程的连续阶段中持续产出更重的元素。聚变过程在恒星核心中将一直持续，直到聚变到铁元素。因为铁再继续聚变需要更多的能量，重力无法提供，因此核聚变过程停止。随后聚变产生的压力无法抵抗重力，恒星的核心坍塌，恒星的所有外层也随之坍缩。然后，恒星的物质与其核心碰撞并反弹。这会发出冲击波并产生恒星最后的爆炸。这就是SN 2023ixf爆炸的前身红超巨星濒死前发生的事情。

在SN 2023ixf死去的那天

然而，天文学家仍然不了解导致最终灾难性事件的过程。而且，SN 2023ixf激波奇怪的光曲线正在挑战传统理论。对这颗年轻超新星的观测似乎指出了这颗恒星在其生命的最后一年存在一些奇怪的不稳定性。这些不稳定性导致了天文学家所说的“极端质量损失”。所谓极端是因为，一般来说超新星的前身恒星会经历一些物质外壳的损失。但是，失去相当于一个太阳的质量则是远超预期的。

艺术家对SN 2023ixf的前身恒星爆炸前质量损失的想象图。在超新星爆发前一年，这颗红超巨星损失的质量相当于太阳的质量。这位艺术家的概念图说明了质量损失的最后阶段可能是什么样子。

图源：梅丽莎·韦斯/CfA

据猜测，可能是当核心开始聚变到更重质量的元素（如硅）时，所谓的不稳定性就开始了。硅燃烧需要更高的核心温度，但也可能在核心以外的区域爆炸性地发生。这可能会导致不稳定，并在恒星最终死亡之前激发了比预期更高的质量损失期。

探究SN 2023ixf的前身恒星损失质量的密度

无论什么原因导致质量损失，其损失的太阳大小的物质似乎比预期的密度要大很多。线索在于超新星喷出物与其碰撞时产生的光曲线。哈佛大学天文学家伊多伯杰使用哈佛天体物理中心的亚毫米阵列进行的观测追踪了超新星喷射物与密集物质云之间的碰撞。他们发现这是一个复杂的，可能是非球形的形状，他们计划继续观测，看看它如何演变。

“为了了解大质量恒星在生命的最后几年直到爆发的表现，唯一方法是在它们刚刚爆发的时候发现超新星，最好是在我们附近，然后在多个波段上研究它们，”伯杰说。“使用光学和毫米望远镜，我们有效地将SN 2023ixf变成了一台时间机器，以重建其前身恒星在死亡之前所经历的事情。

天文学家追踪恒星的死亡

这颗超新星的发现和后续研究也阐明了业余天文爱好者和专业天文学界之间的良好伙伴关系。板垣于2023年5月19日通过日本冈山的私人天文台发现了这颗超新星。板垣的数据以及其他业余爱好者的观察结果将爆发时间可以精确到大约两个小时的小窗口。这使得哈佛天体物理中心和其他天文台的天文学家几乎在爆发开始时就率先开始观测。哈佛天体物理中心的天文学家将继续与板垣合作进行持续的光学观测。

“业余和专业天文学家之间的伙伴关系在超新星领域有着悠久的传统和成功案例，”平松说，“就SN 2023ixf而言，板垣公一发现SN 2023ixf后，我立即收到了一封来自他的紧急电子邮件。如果没有这种关系，以及板垣的工作和奉献精神，我们将错过对大质量恒星的演化及其超新星爆炸进行全新理解的机会。

未来，天文学家还希望能够在最后爆发之前研究超新星的前身恒星。这应该揭示更多关于超大质量恒星内部的活动，这些超大质量恒星不久后即可爆发SN 2023ixf这样超新星。

责任编辑：DAIKIN

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哈勃再立功！由哈勃望远镜上的广角相机在红外线波段所拍摄，位于天鹰座，距离地球约7,200 光年的恒星形成区G35.2-0.7N。影像来源：ESA/Hubble

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