科学发布:天文学家捕捉到大质量星死亡的最初爆发时刻
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内容提要
天文学家通过一次极其微弱的X射线爆发,观测到了大质量星死亡的最初时刻。此次超新星爆发未发现相对论性喷射,为理解大质量星的演化终局提供了新视角。

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天文学家捕捉到大质量星死亡的最初爆发时刻

凭借极其微弱的X射线爆发且没有高速喷射,这颗超新星(supernova)揭示了大质量星(massive star)终结生命的一种新方式。

2026年8月5日

一场罕见的宇宙爆炸让天文学家(astronomer)得以以前所未有的视角观察一颗大质量星的最后时刻,揭示了普通超新星与宇宙中最具能量的爆炸之间此前缺失的联系。美国国家科学基金会(National Science Foundation, NSF)下属的美国国家光学红外天文研究实验室(NOIRLab)的多项设施和仪器助力揭开了这一事件的本质,包括美国能源部制造的暗能量相机(Dark Energy Camera)、美国国家科学基金会尼古拉斯·U·梅亚尔4米望远镜(Nicholas U. Mayall 4-meter telescope)以及NSF与美国能源部(DOE)共同建设的薇拉·鲁宾天文台(Vera C. Rubin Observatory)。

2026年3月,爱因斯坦探针(Einstein Probe)探测到来自约5亿光年(light year)外一个星系的短暂软X射线闪光。这次闪光被命名为EP260321a,随即引发了全球范围的观测活动。在一小时内,地基望远镜(ground-based telescope)开始监测该源,揭示了一颗迅速增亮的超新星,随后被命名为SN 2026gzf。两支科学家团队利用多项NSF NOIRLab设施对该事件进行了观测,并监测其光度(luminosity)演变过程。

这些团队由卡内基梅隆大学的天文学家兼麦克威廉姆斯研究员Brendan O’Connor,以及马里兰大学帕克分校的美国[国家]航天局(NASA)爱因斯坦研究员Jillian Rastinejad领导。团队在《天体物理学报通信》(Astrophysical Journal Letters)上发表了他们的研究结果(O’Connor等,Rastinejad等)。

两支团队均独立确认了最初的X射线爆发为“激波溃围(shock breakout)”——即来自恒星爆炸的强大激波(shock wave)冲破恒星表面并释放出超新星第一缕光的时刻。

尽管预计所有超新星爆发都会发生激波溃围,但由于其持续时间仅为几秒到几小时,观测难度极大。在过去二十年中,天文学家仅确认了另一起清晰的X射线激波溃围事件[1],这使得EP260321a成为一项极其罕见的发现。

每支团队也都独立证实了该爆炸为宽线Ic型(Ic-BL)超新星。此类超新星通常拥有相对论性喷射(relativistic jet)——即以接近光速(speed of light)运动的物质——并且通常与伽马射线暴有关,后者是宇宙中最明亮、最强大的爆炸类别。

然而,SN 2026gzf因多种原因成为一个独特的案例。首先,尽管爆炸本身并不微弱,但其初始激波溃围是迄今为止与Ic-BL超新星相关的最微弱的一次。此外,研究人员惊讶地发现,尽管该事件看起来与其他随后发生伽马射线暴的Ic-BL超新星相符,但并未发现超新星后伴随伽马射线暴的证据。

“SN 2026gzf看起来与此前已知的、与伽马射线暴相关联的高能超新星非常相似。然而,利用最灵敏的设施进行的多波段(multi-band)随动(follow-up)观测却未发现相对论性喷射或余辉的证据,而这些通常在同类事件中可见,”O’Connor说。“一种可能性是喷射被‘扼杀’了,要么是被恒星表面,要么是被恒星周围的星周物质(circumstellar material)所阻挡。”

为了调查这一令人困惑的事件,O’Connor及其团队利用安装在智利托洛洛山美洲天文台(CTIO)——NSF NOIRLab的一个项目——的NSF维克多·M·布兰科4米望远镜(Víctor M. Blanco 4-meter Telescope)上的5.7亿像素DOE制造的暗能量相机(DECam),在超新星增亮并达到峰值光度时获取了深空成像。爆炸前十年拍摄的DECam存档图像显示,在同一位置存在一个蓝色源[2],为前身星(progenitor star)及其在恒星死亡前的环境提供了罕见的线索。

该事件也发生在NSF–DOE薇拉·鲁宾天文台的宇宙演化巡天(COSMOS)深钻场内。来自鲁宾天文台警报代理程序Babamul的公开调试数据提供了额外的多波段观测资料,有助于追踪超新星的演化,并揭示了前身星在爆炸前不久的活动迹象。得益于鲁宾天文台的快速节奏和前所未有的灵敏度,预计持续的观测将为该超新星在未来几年的演化提供详细的长期记录。

此外,安装在NSF NOIRLab项目之一的基特峰国家天文台(KPNO)的NSF尼古拉斯·U·梅亚尔4米望远镜上的暗能量光谱仪(DESI),通过其备用光纤瞬变项目获得了多条光谱。该项目旨在利用DESI上未匹配目标的备用光纤,对鲁宾天文台识别出的瞬变源进行随动观测。这些观测使团队能够观察SN 2026gzf随时间的演变,并确认其作为Ic-BL超新星的本质。

“DESI的备用光纤项目让我们有机会反复回到SN 2026gzf,并跟踪其光谱随爆炸演化而发生的变化,”卡内基梅隆大学研究生、O’Connor团队成员及论文第二作者Xander Hall说。“这一系列观测展示了利用DESI备用光纤进行快速瞬变随动和分类的强大能力,随着鲁宾天文台在未来十年不断增加其瞬变警报流,这种能力将愈发重要。”

在研究中,O'Connor及其团队还获取了来自NASA钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)、美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory)的甚大阵(Very Large Array)、路德维希-马克西米利安大学温德尔斯坦天文台的弗劳恩霍夫望远镜、加州理工学院帕洛玛天文台(Palomar Observatory)望远镜、霍比-埃伯利望远镜(Hobby-Eberly Telescope)以及南非大型望远镜(SALT)的观测数据。

Rastinejad及其团队利用位于夏威夷的北双子望远镜(Gemini North)和智利的南双子望远镜(Gemini South)上安装的双子多天体摄谱仪(GMOS)——两者共同组成了国际双子天文台(International Gemini Observatory)——以及通过AEON队列安装在SOAR 4.1米望远镜上的Goodman摄谱仪,对该事件进行了多波段随动调查;双子望远镜和SOAR均由美国国家科学基金会(NSF)部分资助,并由美国国家光学红外天文研究实验室(NOIRLab)运营。他们还使用了来自NSF-DOE薇拉·鲁宾天文台(Rubin Observatory)、帕洛玛天文台(Palomar Observatory)和甚大阵(VLA)的数据。

这些观测帮助Rastinejad及其团队确认了SN 2026gzf是一颗Ic-BL型超新星,确定了其不存在相对论性喷射,并了解了该恒星在坍缩前的结构及其周围环境。

“我们的观测使我们能够研究这次爆发中三个部分的物理特性:X射线激波溃围、伴随的超新星,以及超新星与垂死恒星先前抛出物质的相互作用,”Rastinejad说。“通过这些信息,我们能够绘制出恒星周围物质的结构,并了解该恒星在坍缩前剧烈的生活方式。”

他们确定该前身星是一颗沃尔夫-拉叶星(Wolf-Rayet star)——一颗出生时质量约为太阳20倍,并在生命早期就耗尽了氢的恒星。他们发现,在走向爆炸性死亡的过程中,该恒星经历了不规则的质量损失阶段,抛射了其所有的氢和氦,留下了一颗主要由碳和氧组成的剥离恒星。这种湍流式的质量损失在恒星周围形成了多层物质壳:一个发射出初始X射线信号的近距离、致密的低质量物质壳,以及一个发射出光学超新星信号的扩展、非对称物质壳。

“这是我们首次绘制出氢氦被剥离恒星的爆炸前环境,”马里兰大学应届博士毕业生、Rastinejad团队成员及论文第二作者Gokul Srinivasaragavan说。“展望未来,我很兴奋能以同样的细节观测更多的激波溃围事件,以测试所有被剥离的恒星在坍缩前是否都有相似的‘生活方式’,以及我们能观察到哪些差异(如果有的话)。”

由于具有极其微弱的X射线激波溃围且没有相对论性外流,EP260321a/SN 2026gzf成为了普通超新星激波溃围与产生低光度伽马射线暴的极端爆炸之间的一座独特桥梁。

通过确立高能Ic-BL型超新星并不总是产生伽马射线暴、相对论性外流或长寿命余辉,这一发现表明大质量星死亡的路径比以往认知的更为广泛。

该结果还展示了协同式时域天文学日益增长的力量,即航天任务与地基天文台共同合作,实时捕捉瞬态宇宙事件。通过结合来自爱因斯坦探针(Einstein Probe)、NOIRLab设施以及世界各地合作天文台的观测数据,研究人员得以以前所未有的细节重建了一次罕见的爆炸。

注

[1] 超新星SN 2008D于2008年被美国国家航天局(NASA)的格雷尔斯雨燕天文台(Neil Gehrels Swift Observatory)探测到。这是天文学家首次直接探测到核区坍缩超新星的初始激波溃围。

[2] 科学家表示,超新星位置在爆炸前图像中的明亮辐射,很可能代表了宿主星系中一个致密、极端的恒星形成区,并结合了前身星在死亡前的爆炸前活动。

分类:高能天体 · 观测设备 · 恒星

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