超新星爆炸后到底留下了什么？诡异的亮度变化透露重要线索

当大质量恒星到达生命的尽头时，它们在自身引力的作用下疾速坍塌，从而引发剧烈爆炸，这一剧烈的事件被称为超新星。天文学家认为，在经历了璀璨夺目的爆炸后，剩下的要么是恒星的核心，要么四分五裂“片甲不留”只剩残渣四处飘散，还有可能是留下一个超致密的残骸。根据恒星的质量，致密的残骸要么是中子星——一块方糖大小的立方体重量如一座小山丘，要么是一个深不可测的黑洞——任何东西，甚至连光都无法逃脱的致密天体。

艺术家创作的双星系统中的超新星爆发场景（来源：ESO/L. Calçada）

天文学家曾发现过许多暗示此类事件的线索。例如在著名的蟹状星云内发现了一颗中子星，从中国的史料上我们知道这是1054年宋代的一颗超新星爆炸留下的遗迹。但是，并没有人见过从大质量恒星爆炸成为超新星，然后又留下残骸的全过程，这意味着这条证据链并不完整。超新星留下的致密残骸往往因为太小太暗而无法直接观测到。上个月，以色列魏茨曼科学研究所博士后研究员陈平等人通过《自然》杂志发布了一条关于超新星留下“身后遗产”的重要证据。

蟹状星云（来源：NASA/ESA）

幸运事件始于2022年5月，当时南非业余天文学家贝尔托·莫纳德（Berto Monard）在7500万光年外 NGC 157 星系的旋臂中发现了一颗超新星 SN 2022jli，随后，两个独立的小组持续跟踪了它爆炸之后的表现，果然发现了它的独特行为。大多数超新星的亮度会随着时间推移而慢慢消退，光度曲线呈现平稳下降态势。但是 SN 2022jli 显得与众不同：虽然整体上亮度在下降，但不是很平稳，而是每12天左右出现上下振荡一次。另一个团队的主要领导者北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的博士生托马斯·摩尔（Thomas Moore）表示这是第一次在超新星的光度曲线中检测到多个重复周期振荡。

上图：超新星 SN 2022jli 亮度变化。下图：超新星 SN 2022jli 相对亮度波动（来源：P. Chen et al. 2023）

一个比较合理的解释就是 SN 2022jli 并不孤独，它的身边有个同伴。事实上，这种情况在“食变双星”中并不罕见，即两颗恒星相互绕转、相互遮掩，让地球上的我们看到恒星的亮度周期性地振荡。然而，值得注意的是，如果 SN 2022jli 是在一个双星系统中，那么这意味着伴星似乎在 SN 2022jli 剧烈的“临终咆哮”中幸存了下来。

除了亮度的变化，陈平团队使用了地面和空间的观测设备，如欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜（VLT）。在第二架绰号为“月亮”（UT2，Kueyen）的望远镜安装有中分辨率光谱仪X-shooter，可覆盖从紫外到近红外的波段（我们曾在《》一文中提到过它的发现）。他们从数据中发现了该系统中存在氢的周期性运动和伽马射线的爆发。

安装在VLT UT2上的X-shooter光谱仪（来源：ESO）

综合所有线索，研究人员认为，其原因是那颗伴星与 SN 2022jli 超新星爆炸过程中抛出的物质相互作用，导致伴星富含氢的大气变得更为膨胀。随后，超新星爆炸后留下的致密物体在轨道上快速穿过伴星膨胀的大气时，窃取了大气中的氢，从而在自己周围形成一个热物质盘。而这种周期性窃取或吸积物质释放了大量能量，导致了我们在观测中看到的亮度的规律性变化。

SN 2022jli 事件过程猜测。双星系统中的一颗星发生超新星爆炸，残留一个致密天体，致密天体在经过伴星附近时吸积物质，导致超新星光度下降过程中出现周期性振荡。（来源：ESO/L. Calçada）

尽管研究小组无法观察到来自致密天体本身的光，但他们相信，有能力实现这种规模物质吸积的只能致密的中子星，或者黑洞。天文学家还想知道究竟是中子星还是黑洞，以及这对双星系统的未来还会有什么结局，这些还有待投入更强大的设备开展进一步分析。关于超新星的故事，越来越完整了。

参考资料：

[1] Missing link found: supernovae give rise to black holes or neutron stars
(https://www.eso.org/public/news/eso2401/)
[2] Ping C hen et al., A 12.4 day periodicity in a close binary system after a su pernova, Nature volume 625, pages253–258 (2024)