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一颗前所未见的超新星

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通常情况下,当大质量恒星爆炸时,天文学家会在观测中发现氢和氦等轻元素的明显特征。

但现在,在一项新发表于《自然》杂志的研究中,一个国际研究团队表明,他们发现了一种前所未见的超新星——这颗名为SN2021yfj的新超新星富含,呈现出截然不同的化学特征。这一发现不仅为天文学家长期推测的大质量恒星的”洋葱式壳层结构“提供了直接证据,也让我们前所未有地”窥探“到了垂死恒星最深处的内部结构。

恒星的洋葱结构

在恒星的核心,极端的高压和高温会促使较轻的元素聚变成较重的元素,并释放出能量。这一过程始于氢聚变成氦。

之后,聚变后的产物会成为新的燃料,驱动进一步的聚变反应,使大质量恒星(质量超过太阳质量8倍的恒星)逐渐形成”洋葱式“的壳层结构。

这种壳层结构外层是最初的氢,往内依次是更重的成分:氦层、碳/氧层、氧/氖/镁层,以及氧/硅/硫层。最终,硅和硫会聚变成铁。

大质量恒星的核聚变会产生壳层结构,内层是重元素,外层是轻元素。(图片素材:Nautre)

核心坍塌与超新星爆炸

当大质量恒星的铁核质量超过钱德拉塞卡极限(约为1.2到1.8个太阳质量)时,它就进入了生命的最后阶段。这时,铁核开始坍缩。在短短几秒钟内,铁核就会坍缩成中子星,甚至是黑洞。

在这个过程中,会释放出极为巨大的引力能,从而驱动了超新星爆发。爆炸将恒星的其余物质抛射到宇宙空间中,为新恒星和行星的形成提供原料。

这种爆发会点亮先前从恒星抛射出去的气体壳层,让我们有机会观测并分析气体的成分。迄今为止,在所有已知的超新星中,这些外抛物质通常是氢层、氦层或碳层——它们都形成于恒星的前两轮核聚变。

更深的壳层则是在恒星爆炸前短短几百年内才形成的,因此它们根本没有足够时间远离恒星核心。所以,通常我们是观测不到这些壳层的。

爆炸性的谜团

而这正是新发现的超新星SN2021yfj引人注目的原因。

2021年9月,研究人员通过使用茨威基暂现源设施(ZTF)发现了SN2021yfj。当时,他们注意到,位于距离地球22亿光年的恒星形成区,存在一个极其明亮的天体。为了获得更多关于这个神秘天体的信息,研究人员需要获取光谱数据。

光谱能将光分解为不同颜色,每种颜色对应一种元素,由此科学家就能够判断爆炸中存在何种元素。于是,通过利用夏威夷的凯克天文台的设备,研究人员获取到了光谱。

结果发现,SN2021yfj的光谱几乎完全被硅、硫和氩的强烈信号主导。这些较重的元素正是大质量恒星在其生命的最后阶段、在内部深处通过核聚变产生的。

也就是说,这颗恒星几乎失去了它一生中产生的大部分物质。所以天文学家所看到的,是它在爆炸前几个月形成的物质

一般来说,大质量恒星在爆炸前都会抛掉一些外层物质。但SN2021yfj抛出的物质量远超以往观测到的情况。在之前的观测,所谓的“剥离星”(失去外层氢包裹的恒星)通常只会露出氦层,或者碳/氧层。但天体物理学家此前从未见过比碳/氧层更深的部分被暴露出来。这说明,一定是发生了极其剧烈、非同寻常的事件,才能把如此深层的物质抛射出来。

极其暴烈的事件

研究人员推测,这可能涉及罕见而强大的机制。他们正在探索几种可能,包括与伴星的相互作用、超新星爆发前的大规模抛射,甚至异常强烈的恒星风。

但最有可能的解释是:这颗恒星在自我撕裂。当恒星的核心在自身引力作用下不断挤压时,它会变得愈发炽热与致密。极端的热量和密度会以难以置信的强度重新点燃核聚变,从而释放出巨大的能量,将恒星的外层一层层推开。每当恒星进入一个新的“对不稳定性”(pair-instability)期,产生的相应脉冲就会抛射更多物质。

而其中一次最新的壳层抛射撞上了先前的壳层,于是产生了观测到的SN2021yfj异常明亮的辐射。

虽然研究人员对这种爆炸的成因有一个理论框架,但他们并不敢断言它就是正确答案。毕竟,目前只发现了这一个特例。所以,接下来天文学家需要找到更多类似的稀有超新星,才能更好地理解它们的性质和形成机制。

#参考来源:

https://news.northwestern.edu/stories/2025/08/first-of-its-kind-supernova-reveals-innerworkings-of-a-dying-star/?fj=1#tab-panel1

https://theconversation.com/astronomers-have-glimpsed-the-core-of-a-dying-star-confirming-theories-of-how-atoms-are-made-263339

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02425-w

#图片来源:

封面图&首图:Keck Observatory / Adam Makarenko

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