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北京大学东苏勃研究员率团队发现有史以来最强的超新星爆发
日期: 2016-01-13  信息来源: 科维理天文与天体物理研究所

超新星是某些恒星在生命终点的剧烈爆发现象。近两千年前,中国天文学家就在《后汉书》中记载了人类史上最早观测到的一次超新星爆发。(这颗现称为SN 185的超新星被天文学家划归为Ia型)至今,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学界——其爆发强度超过了Ia型超新星约两百倍,是“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”研究员东苏勃领导一支国际团队发现的。这一最新研究成果以东苏勃为第一作者、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。

图1:史上最强超新星爆发ASASSN-15lh的想像图。该图示意了从超新星宿主星系中一颗距离ASASSN-15lh约1万光年的行星上观看ASASSN-15lh爆发的情景。(图片制作:北京天文馆马劲)

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2015年6月由位于智利安第斯山脉托洛洛山顶的两架14厘米口径“全天自动超新星搜索项目”望远镜发现的。

图2:“全天自动超新星搜索项目”位于智利安第斯山脉托洛洛山顶节点的两架14厘米口径的望远镜。天文学家们用它们发现了极亮超新星ASASSN-15lh(图片来源:维恩·洛京)

ASASSN-15lh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、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”太空望远镜马上投入到了后续观测之中。时至今日,研究者们还在从光学、X射线、射电等诸多波段对这颗超新星进行持续观测。

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,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“全天自动超新星搜索项目”已发现的200多颗超新星,这使天文学家们起初感到非常困惑。

在与同事智利迪亚哥伯达里斯大学教授何塞·普利艾特和斯坦尼克讨论后,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时,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具有重要意义。包括北京大学物理学院天文学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。

 
图3:超新星爆发前(左)和爆发后(右)的伪彩色图像。左图是4米望远镜上的暗能量相机拍摄。右图是1米LCOGT望远镜网络拍摄。东苏勃从中国科学院国家天文台有偿使用国外望远镜计划(TAP)获得了1米LCOGT望远镜网络的观测时间。(左图由暗能量巡天项目提供。右图由本杰明·夏皮和“全天自动超新星搜索项目”团队制作)

解释极亮超新星能源机制最为流行的理论之一是磁中子星模型。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飞速自转的中子星,这颗磁中子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辐射的总能量就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磁中子星理论模型所允许的上限。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。

 
图4:ASASSN-15lh光度随时间变化的曲线与其它超新星的比较。在其峰值,ASASSN-15lh比常见的Ia型超新星强200倍,也比前爆发强度记录保持者iPTF13ajg亮两倍多。(图片由“全天自动超新星搜索项目”团队制作。)

东苏勃说:“ASASSN-15lh的发现对超新星爆发理论提出了一个全新挑战。它可能会引发对极亮超新星整体的理论创新和更多的观测。我们将拭目以待。”

东苏勃于2014年入选中组部“千人计划(青年项目)”。这项研究得到中国科学院先导B专项的支持。

附:

全天自动超新星搜索项目”(ASAS-SN)是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、“全天自动超新星搜索项目”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。而作出新发现的机遇总是留给有准备的人。”

相关媒体报道:

科学美国人(Scientific American):http://www.scientificamerican.com/article/found-the-most-powerful-supernova-ever-seen/

华盛顿邮报(Washington Post):https://www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2016/01/14/this-suspected-supernova-is-570-billion-times-brighter-than-our-sun/

路透社(Reuters):http://uk.reuters.com/article/us-space-supernova-idUKKCN0US2J720160114

探索频道(Discovery):http://news.discovery.com/space/astronomy/uber-bright-supernova-is-a-stellar-mystery-160114.htm

自然杂志(Nature)的新闻:http://www.nature.com/news/brightest-ever-supernova-still-baffles-astronomers-1.19176

华尔街日报(Wall Street Journal):http://www.wsj.com/articles/astronomers-report-brightest-supernova-ever-observed-1452798001

洛杉矶时报(Los Angeles Times):http://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-huge-supernova-20160114-story.html

新科学家杂志(New Scientist):https://www.newscientist.com/article/dn28772-weve-found-the-brightest-ever-supernova-but-cant-explain-it/

编辑:江南


   
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