距離地球“只有”大約2200萬光年的超新星SN 2023ixf發(fā)生了爆炸，也許它不是浩渺宇宙中最獨特的星體，但其爆炸卻對地球上的科學(xué)家意義重大，因為非常近——它是近十年來離我們最近的超新星之一。
通過觀測這次爆發(fā)，科研人員取得了一批突破性成果。
其中，清華大學(xué)物理系教授王曉鋒帶領(lǐng)團隊，通過與國內(nèi)外天文愛好者密切協(xié)作，首次提取和分析了超新星爆炸后約1小時的多色測光數(shù)據(jù)，見證了極早期激波輻射由紅變藍的奇特現(xiàn)象，為揭開超巨星死亡之謎提供了全新線索。
該研究成果以《一顆周圍布滿塵埃的紅超巨星爆發(fā)出激波閃光》為題在線發(fā)表于最新一期《自然》上。
空白：恒星的死亡瞬間
論文通訊作者、清華大學(xué)物理系教授王曉鋒告訴《中國科學(xué)報》，大質(zhì)量恒星演化到生命末期時，通常會產(chǎn)生核心塌縮爆發(fā)。這個過程引發(fā)的激波迅速突破恒星外層，并產(chǎn)生短暫的強烈輻射，瞬時輻射可以達到10萬開爾文。
這一極早期信號，也是激波穿透瀕死恒星的軀殼并記錄沿途復(fù)雜物理過程的旅行日志，攜帶了激波傳播、超新星爆發(fā)幾何性質(zhì)及周圍環(huán)境等關(guān)鍵信息。
然而，高速的激波在短短幾小時內(nèi)就會耗散。
此前的觀測記錄都始于恒星死亡后四五個小時左右，也僅限于單色，基本都是溫度非常高的藍色激波。
“只有得到不同波段的信息，通過比對，才可以得到更多信息。”王曉鋒解釋道，“也就是說，我們對恒星死亡這一瞬間的了解仍可謂空白。”
此次研究涉及的SN2023ixf，也是迄今為止最亮的超新星之一。其所在的M101星系是著名的風(fēng)車星系，12年前曾經(jīng)爆炸產(chǎn)生過一顆明亮的超新星，加上漂亮的造型，成為國內(nèi)外天文愛好者熱衷拍攝的目標。
非常近、特別亮，正意味著民間天文愛好者的小口徑望遠鏡，也能夠探測到這次爆炸事件！
思路：反向操作
事實上，在爆炸發(fā)生前一天，就有愛好者對準星系開始拍照了。要把圖像拍得漂亮，他們往往連續(xù)拍幾個小時，再把這些圖像疊加起來，才能看得特別清晰。
研究人員意識到，如果能夠解決業(yè)余相機的流量定標問題，通過這些彩色圖片，將能夠分析出一顆大質(zhì)量恒星死亡后的極早期信息。
因為，專業(yè)機構(gòu)使用的黑白相機一般通過按時更換濾波片分別收集單色波段信息，會產(chǎn)生延遲。而天文愛好者使用的RGGB彩色相機，同時收集多波段信息，卻較難以進行流量定標。
王曉鋒組織團隊即刻啟動了后續(xù)觀測，同時廣泛聯(lián)系國內(nèi)外天文愛好者，獲得了覆蓋超新星爆發(fā)前后的彩色圖像。
“彩色相機中有紅色R、綠色G、藍色B等顏色通道，拿到彩色圖像后，我們反其道而行之，將各顏色波段的信息獨立抽取出來，再進行精細的流量定標、顏色比對，得到了可靠的SN2023ixf極早期多色測光數(shù)據(jù)。”王曉鋒說。
《自然》審稿人認為，收集和仔細分析這些獨特的數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)該成果的重要步驟。
當(dāng)然，研究團隊面臨的一個現(xiàn)實情況是，愛好者的數(shù)據(jù)有一大部分是在網(wǎng)絡(luò)上公開發(fā)布的，所以國外學(xué)者的相關(guān)研究也在爭分奪秒開展，競爭很激烈。
該團隊夜以繼日，與時間賽跑，反復(fù)分析數(shù)據(jù)、調(diào)整模型、修改論文，結(jié)束一天工作時，常常發(fā)現(xiàn)已經(jīng)到了凌晨兩三點。在爆炸事件后50天左右的時間，同時完成了3篇論文的投稿，除本成果，還有針對該超新星爆發(fā)產(chǎn)生的早期電離光譜的分析研究文章發(fā)表于《科學(xué)通報》，以及探討SN2023ixf前身星的工作發(fā)表在《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》。
顛覆：“死亡”激波先紅后藍
這些前所未見的彩色影像及后續(xù)觀測圖像，揭示了一顆約8500萬倍太陽體積的紅超巨星從死亡到爆發(fā)，形成超新星2023ixf爆發(fā)的全過程。
頗為顛覆的是，多波段觀測清晰展示了超新星爆發(fā)極早期，是紅色激波破繭而出，經(jīng)過約2小時后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色激波。而在傳統(tǒng)理論預(yù)期中，恒星死亡瞬間伴隨的是藍色激波突破。
紅圈為SN 2023ixf爆發(fā)位置，圖中標示出了相對爆炸后的時間，可以清晰看出超新星早期激波輻射隨著時間推移，逐漸變藍變亮。本文圖片由課題組提供
研究團隊認為，由紅轉(zhuǎn)藍的漸變激波，預(yù)示了這顆紅超巨星瀕死時，周圍包裹著厚厚的塵埃殼，彷如一層蠶繭。隨恒星死亡產(chǎn)生的紅色激波迅速外傳，這些塵埃被攜帶超高能量的激波在數(shù)小時內(nèi)被悉數(shù)瓦解，隨后，激波轉(zhuǎn)變?yōu)槌邷氐乃{色激波。
關(guān)于塵埃殼的推測，與哈勃等其他望遠鏡拍到的圖像也是吻合的。
由紅轉(zhuǎn)藍的激波突破，如同揭開了籠罩瀕死恒星的一層濃厚的塵埃面紗。
這一發(fā)現(xiàn)，顯著推進了人們對大質(zhì)量恒星晚期演化和死亡這一宇宙中普遍而神秘景象的認知。其中不可或缺的極早期彩色圖像，至少一半來自國內(nèi)愛好者，“聽說要一起‘整’個大新聞，大家特別激動，都很支持。”王曉鋒感慨于國家整體經(jīng)濟實力和我國民眾科學(xué)素養(yǎng)的提升。
“將各波段信息從彩色圖像中提取出來，本身沒有多大技術(shù)難度，花幾天時間寫個代碼就能實現(xiàn)，就像捅破層窗戶紙。”因此，王曉鋒希望這種分析思路，以及研究人員與愛好者密切協(xié)作的探索氛圍，能將天文領(lǐng)域的科研發(fā)現(xiàn)推進一大步，并激發(fā)社會群眾更廣泛、深入地了解科學(xué)、熱愛科學(xué)。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06843-6
本文鏈接：超巨星死亡的秘密http://www.lensthegame.com/show-11-1800-0.html
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