中国发现“最强”超新星爆发:比太阳亮5700亿倍

超新星是恒星在生命终点的剧烈爆发现象。近两千年前，中国天文学家在《后汉书》中记载了人类史上最早的超新星爆发。这颗现称为 SN 185的超新星被天文学家划归为Ia型。自那以来，人类记录了上万颗超新星爆发，其中最常见的类别就是Ia型。而2015年夏天发现的一颗超新星震惊了天文界——其爆发强度超过了Ia型超新星约两百倍，是目前记录保持者的两倍以上。


　　这颗名为ASASSN-15lh的极亮超新星是由中科院“宇宙结构起源”战略先导专项的核心成员、北京大学科维理天文与天体物理研究所“青年千人”研究员东苏勃领导的国际团队发现的。这一最新研究成果以东苏勃为第一及通讯作者身份发表在2016年1月15日出版的《科学》(Science)杂志上。据《科学》文章报道，ASASSN-15lh距离地球38亿光年，属于罕见的“极亮型超新星”家族中的一员。它的发现有望为天文学家揭开极亮型超新星的爆发之谜提供重要线索。


　　ASASSN-15lh达到的最高光度比太阳要强5700亿倍，是整个银河系千亿颗恒星总光度的20倍左右。东苏勃称：“ASASSN-15lh是迄今为止人类记录到的最强的超新星爆发。由于它辐射的能量太高，目前的超新星理论难以对它的爆发机制和能量来源给予令人满意的解释。”


　　ASASSN-15lh是在2015年6 月份由两架14厘米口径的望远镜发现的。这两架望远镜位于智利安第斯山脉托洛洛山顶，属于“全天自动超新星搜索项目”(ASAS-SN，网址：http://www.astronomy.ohio-state.edu/~assassin/index.shtml)的一个节点。这是一个由美国俄亥俄州立大学牵头、包括东苏勃在内的国际合作项目。该项目的小望远镜阵持续不断地对整个夜空拍照，旨在搜寻突然变亮的、主要包括超新星的“暂现天体”。俄亥俄州立大学教授、项目的首席科学家之一克里斯托弗·斯坦尼克教授说：“ASAS-SN是历史上首个持续不断地监测整个天空从而搜寻光学暂现天体的项目。科学上，每打开一扇新的观测宇宙的窗口，就会有激动人心的新奇发现。而做出新发现的机遇总是留给有准备的人。”


　　在ASASSN- 15h发现当天，东苏勃和其合作者立即将有关讯息公开给全球的超新星研究者，以便人们能够更快地、更好地进行观测。ASASSN-15lh引起了天文学家们的强烈兴趣，世界上诸多大型望远镜和美国NASA的“雨燕”太空望远镜马上开始了后续观测。时至今日，研究者们还在从光学到X射线到射电等诸多波段观测这颗超新星。


　　2015年6月21日，东苏勃在美国卡内基天文台的合作者利用位于智利的2.5米杜邦望远镜拍摄到了ASASSN-15lh的第一条谱线。天文学家们用谱线来认证超新星抛射物中的化学组分和物理状态，从而为超新星归类并研究其爆发的物理过程。然而，ASASSN-15lh的谱线远异于ASAS-SN已发现的200多颗超新星，ASAS-SN团队的天文学家们起初感到非常困惑。


　　在与同事何塞·普利艾特教授（智利迪亚哥伯达里斯大学）和斯坦尼克教授讨论后，东苏勃突然意识到ASASSN-15lh可能属于极亮型超新星。根据他的推测，若ASASSN-15lh距离我们 38亿光年远，那么它最突出的谱线特征与2010年发现的一颗极亮超新星的光谱极为匹配。如果这个推断是正确的，就应该可以在特定波长上看到超新星光线穿过宿主星系中气体产生的吸收谱线。而预期中的特征吸收谱线波长较短，需要利用覆盖足够蓝端光谱的仪器才能观测到。在接下来的几天，东苏勃和同事们联系到了三架可拍摄蓝端光谱的望远镜，可惜数次观测都由于天气原因和仪器故障功亏一篑。十天之后，10米口径的“南非巨型望远镜”(SALT)终于成功地拍摄到了所需光谱，东苏勃的推断被证实了！


　　2015年7月1日北京时间凌晨两点，东苏勃收到了南非望远镜的观测信息。他说：“当看到南非望远镜拍摄的光谱并意识到我们发现了史上最强的超新星爆发，我兴奋得彻夜难眠。”


　　后续的观测进一步印证了ASASSN-15lh的特性与以往发现的所谓的贫氢极亮型超新星（也称“I型极亮超新星”）有诸多关键的共同之处。这些剧烈的爆发产生的抛射物中探测不到宇宙中最为丰富的氢元素的迹象。然而，除了其爆发强度鹤立鸡群之外，ASASSN-15lh的温度也远高于其它I型极亮超新星。另外，以往发现的I型极亮超新星多在黯淡的矮星系中，但ASASSN-15lh的宿主星系比银河系还要亮数倍。随着超新星逐渐变暗，后续观测将可以更好的研究宿主星系，这对理解贫氢极亮型超新星的爆发环境有重要意义。包括北京大学天文系博士研究生陈平在内的东苏勃团队将利用哈勃空间望远镜等强大的天文仪器对该超新星和其宿主星系做进一步地纵深分析和研究。


　　解释极亮超新星能源机制最为流行的理论之一是磁星模型。在这个模型中，恒星爆发后会在中心遗留一颗有着极强磁场并快速自转的脉冲星，这颗磁脉冲星的剧烈磁化星风可将爆炸抛射物加热到高温从而产生辐射。然而，自发现后的仅四个月时间里，ASASSN-15lh辐射的总能量相当于太阳以现在的强度照耀900亿年；如此之高的能量刚好超过了快速自转中子星所允许的上限。另一种可能解释是，ASASSN-15lh的辐射是由极高质量恒星爆发产生的数十倍太阳质量的放射性元素衰变导致的，然而这大大超过超新星爆发理论给出的可能值。


　　南京大学戴子高教授说：“该超新星的峰值光度太高了，以致于流行的磁星供能模型被推到极限”。他和他的学生将在美国的《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上发表的文章（arXiv:1508:07745）分析ASASSN-15lh后发现：观测要求该超新星的中心引擎必须是转动周期极短的脉冲星；如果这颗脉冲星是新诞生的中子星，那么“罗斯贝波”（即频率约为自转频率的大尺度震荡）将在中子星内部变得不稳定，其振幅会越来越大，并通过引力波辐射带走脉冲星的转动能，因而该脉冲星不可能给超新星提供足够的能量；一个自然的候选体是奇异夸克星（一类完全由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的致密天体），这是因为夸克星内部的非轻子弱作用会极大地阻尼了“罗斯贝波”的震动能，所以奇异夸克星将大大抑制“罗斯贝波”引起的不稳定性。因此，戴子高等指出该超新星很可能是奇异夸克星诞生的信号。这对于将来观测上证认奇异夸克星有非常重要的意义。


　　东苏勃于2014年入选中组部“千人计划（青年项目）”，他也是中科院“宇宙结构起源”战略先导专项的核心成员。国家天文台领衔的这项战略先导专项，打造了国内外先进望远镜综合观测网络，着力培育包括时域天文学在内的多个科学前沿领域的发展和突破。此项极端超新星的发现，也是我国科学家在时域天文学领域摘取的一项硕果

多多益善！

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