清華新聞網(wǎng)11月13日電 通過(guò)歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡（ESO’s VLT）的快速后隨觀(guān)測(cè)，天文學(xué)家捕捉到了一顆恒星的爆炸性死亡過(guò)程——即第一縷光突破瀕死恒星表面的瞬間。這是人類(lèi)首次揭示大質(zhì)量恒星爆炸極早期轉(zhuǎn)瞬即逝的形態(tài)。這一短暫的初始階段在一天后便無(wú)法觀(guān)測(cè)，卻能幫助人們解答一系列有關(guān)大質(zhì)量恒星演化和超新星爆發(fā)的問(wèn)題。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2024年4月10日晚，超新星SN 2024ggi首次被探測(cè)到時(shí)，這項(xiàng)研究的主要作者、清華大學(xué)物理系助理教授楊軼剛剛結(jié)束長(zhǎng)途飛行降落在舊金山。他意識(shí)到必須迅速行動(dòng)。12小時(shí)后，他向歐洲南方天文臺(tái)（ESO）提交了觀(guān)測(cè)申請(qǐng)。經(jīng)過(guò)快速審批，位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）于4月11日對(duì)準(zhǔn)這顆超新星，距離首次探測(cè)到超新星爆發(fā)僅過(guò)了26小時(shí)。
一顆恒星發(fā)生超新星爆發(fā)的過(guò)程（歐洲南方天文臺(tái)制作）
圖1.編號(hào)為SN 2024ggi的超新星位于距離地球約2200萬(wàn)光年的NGC 3621星系中。天文學(xué)家借助歐洲南方天文臺(tái)（ESO）8.2米口徑的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT），成功捕捉到這顆超新星爆發(fā)的極早期階段——爆炸的第一縷光正沖破瀕死恒星的表面。這一短暫的時(shí)間窗口，讓科研人員得以揭示其真實(shí)形態(tài)：一個(gè)類(lèi)似橄欖狀的輻射區(qū)。這是人類(lèi)首次觀(guān)測(cè)到超新星爆發(fā)“嬰兒期”的形態(tài)
SN 2024 ggi位于長(zhǎng)蛇座方向的NGC 3621星系中，距離地球約2200萬(wàn)光年——以天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看屬于鄰近范圍。楊軼所在的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)深知，借助大型望遠(yuǎn)鏡和適配的儀器，他們獲得了一個(gè)罕見(jiàn)的機(jī)會(huì)，可以在恒星爆炸尚處于“嬰兒期”的時(shí)候，揭開(kāi)其形態(tài)之謎?！吧醮笸h(yuǎn)鏡（VLT）的首次觀(guān)測(cè)捕捉到了這一短暫而關(guān)鍵的時(shí)間窗口：恒星內(nèi)部被爆炸激波加速的物質(zhì)沖破其表面。在短短數(shù)小時(shí)內(nèi)，爆炸的幾何結(jié)構(gòu)尚未被劇烈的爆發(fā)過(guò)程沖刷干凈，得以被短暫保留和觀(guān)測(cè)到?！睔W洲南方天文臺(tái)（ESO）榮譽(yù)退休天文學(xué)家、研究合作者迪特里希?巴德（Dietrich Baade）表示。
圖2.超新星SN 2024ggi和其寄主星系NGC 3621。圖片由歐洲南方天文臺(tái)（ESO）甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）上的FORS2儀器拍攝于2024年4月11日，距離首次探測(cè)到該超新星爆發(fā)僅過(guò)去26小時(shí)。FORS2具備多項(xiàng)功能，其中包括獲取偏振光光譜。通過(guò)名為光譜偏振測(cè)量法的技術(shù)，即便在地球觀(guān)測(cè)僅呈現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)源，科學(xué)家們?nèi)阅軓闹刑崛￡P(guān)于其爆發(fā)形態(tài)的關(guān)鍵信息
“超新星爆發(fā)的幾何形態(tài)，可以為這些‘宇宙焰火’綻放的過(guò)程，以及它們前身星的演化軌跡提供關(guān)鍵的線(xiàn)索?！睏钶W解釋道。大質(zhì)量恒星（質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)8倍的恒星）死亡的爆發(fā)機(jī)制仍有很多爭(zhēng)議，也是科學(xué)家們希望解決的核心問(wèn)題之一。這顆超新星的前身星是一顆紅超巨星，質(zhì)量為太陽(yáng)的12至15倍，半徑則是太陽(yáng)的500倍，使得SN 2024ggi成為大質(zhì)量恒星爆發(fā)的典型案例。
一顆典型恒星在其生命周期中之所以能保持球形，是因?yàn)閮煞N力量達(dá)成了精準(zhǔn)的平衡——試圖擠壓它的引力，以及試圖讓它膨脹的核反應(yīng)產(chǎn)生的輻射壓力。當(dāng)恒星耗盡了最后的燃料時(shí)，核反應(yīng)引擎便會(huì)開(kāi)始熄火。對(duì)于垂死的大質(zhì)量恒星而言，其核心會(huì)發(fā)生坍縮，周?chē)奈镔|(zhì)殼層向中心墜落并反彈。隨后，這一反彈沖擊波向外傳播，最終導(dǎo)致恒星解體，產(chǎn)生超新星爆發(fā)。當(dāng)沖擊波沖破恒星表面時(shí)，我們能研究超新星最初的“激波突破”形態(tài)。這個(gè)過(guò)程會(huì)釋放出巨大的能量——超新星急劇增亮，可以在遙遠(yuǎn)的地方被看到。
重建超新星爆發(fā)的幾何演化用到了光譜偏振這項(xiàng)技術(shù)?！坝捎诰嚯x太遠(yuǎn)，任何恒星尺度的爆炸看上去都是一個(gè)嚴(yán)格的點(diǎn)。只有光譜偏振法能提供它們的幾何信息?！毖芯亢献髡?、美國(guó)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)教授王力帆（Lifan Wang）表示。超新星2024ggi的偏振光蘊(yùn)含著其幾何形態(tài)的線(xiàn)索，并被研究團(tuán)隊(duì)成功解密。
南半球唯一能通過(guò)此類(lèi)測(cè)量捕捉超新星形態(tài)的設(shè)備是安裝在甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）上的FORS2儀器。借助FORS2獲取的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，爆炸早期的輻射區(qū)類(lèi)似一個(gè)橄欖。隨著拋射物膨脹，與恒星周?chē)奈镔|(zhì)碰撞，其形態(tài)逐漸趨于扁平，但拋射物的對(duì)稱(chēng)軸始終保持不變。楊軼指出，“這些發(fā)現(xiàn)表明，大質(zhì)量恒星爆發(fā)的整個(gè)階段都由一種共同的物理機(jī)制驅(qū)動(dòng)，且表現(xiàn)出空間尺度上顯著的軸對(duì)稱(chēng)性?！?/p>
這一發(fā)現(xiàn)使天文學(xué)家已經(jīng)可以排除一些超新星模型，并完善其他模型，為理解大質(zhì)量恒星的死亡提供了重要線(xiàn)索?！斑@項(xiàng)研究不僅重塑了我們對(duì)恒星爆發(fā)的認(rèn)知，也彰顯了科學(xué)跨越國(guó)界所能取得的成就?！睔W洲南方天文臺(tái)（ESO）天文學(xué)家費(fèi)迪南多?帕塔特（Ferdinando Patat）表示。
研究成果以“II型超新星2024ggi的瞬發(fā)偏振輻射所顯示的軸對(duì)稱(chēng)激波爆發(fā)”（An axisymmetric shock breakout indicated by prompt polarized emission from the type II supernova 2024ggi）為題，于11月12日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances），同時(shí)在歐洲南方天文臺(tái)等多家研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行同步新聞發(fā)布。
清華大學(xué)物理系助理教授楊軼為論文第一作者和通訊作者，美國(guó)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)教授王力帆（Lifan Wang）、清華大學(xué)物理系教授王曉鋒為論文共同通訊作者。其他重要合作者包括清華大學(xué)物理系博士后文旭東（北京師范大學(xué)2025屆博士畢業(yè)生）、歐洲南方天文臺(tái)榮譽(yù)退休天文學(xué)家迪特里希?巴德（Dietrich Baade），以及美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授J·克雷格·惠勒（J. Craig Wheeler）。研究得到清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx2925
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
