給宇宙標準燭光“畫像” 打造超新星比較研究標尺 相關成果已刊發(fā)在《天體物理學報》上

我們發(fā)布了該超新星長達140余天、涵蓋光學和紅外共8個波段的測光數(shù)據(jù)以及14條紅外光譜，為此類超新星的研究提供了目前最完備的光變曲線模板和光譜模板。

王靈芝

中國科學院南美天文研究中心、國家天文臺中智天文聯(lián)合研究中心助理研究員

黑夜中的一盞燭光，如果近在咫尺，看起來會亮一些;如果距離較遠，看起來則暗一些。燭光本身的亮度其實沒有變化，只是距離遠近造成了明暗之別。

在浩瀚宇宙中，Ⅰa型超新星就扮演著宇宙標準燭光的角色，它以恒定峰值亮度的特征發(fā)揮著宇宙距離指示器的作用。Ⅰa型超新星對于探索宇宙的重要性不言而喻。然而，此前一直缺乏同一超新星光學紅外多波段、長時間的觀測數(shù)據(jù)，學者們苦于沒有完備的超新星對比“標尺”。

1月8日，據(jù)國外媒體報道，中國科學院南美天文研究中心、國家天文臺中智天文聯(lián)合研究中心助理研究員王靈芝博士帶領國際合作團隊，獲得了迄今為止單個超新星的最完備光變曲線模板和光譜模板，為超新星的后續(xù)研究提供了重要參照和依據(jù)。相關成果已刊發(fā)在《天體物理學報》上。

8個波段140余天密集監(jiān)測 翔實描繪一顆Ⅰa型超新星真容

一些恒星臨近生命終結的時候，會發(fā)生劇烈爆炸，成為一顆超新星。它們爆炸產生的光亮往往能夠照亮其所在的整個星系，仿佛以這種極其壯烈的方式向整個宇宙告別。

超新星有很多類別。通常，人們將白矮星吸積其伴星物質達到臨界質量后產生的劇烈熱核爆炸所形成的超新星歸類為Ⅰa型超新星，這類超新星爆炸產生的峰值光度一般認為是常數(shù)，是一類極為重要的天體距離指示器。

2017年3月10日，Ⅰa型超新星SN2017cbv被發(fā)現(xiàn)。它處于銀河系的臨近星系，距離地球較近，所以很亮，容易獲得較為完善的數(shù)據(jù)，很快便成為一個非常熱門的研究對象。王靈芝團隊與很多科學家一樣，將目光投向了這位“新鄰居”。

“這顆超新星處于南天位置，而我們中心得益于智利望遠鏡的觀測位置優(yōu)勢，及時獲得了這顆超新星的大量數(shù)據(jù)。”王靈芝在接受科技日報記者采訪時表示，“我們發(fā)布了該超新星長達140余天、涵蓋光學和紅外共8個波段的測光數(shù)據(jù)以及14條紅外光譜，為此類超新星的研究提供了目前最完備的光變曲線模板和光譜模板。”

在天文學中，光變曲線是表示天體亮度隨著時間變化的曲線，光譜則是某一時刻望遠鏡接收到的不同能量光子的分布圖。

王靈芝打了個比方：繪制超新星某一波段的光變曲線，就像是給超新星錄像，能直觀地看到超新星爆炸后這一波段光子的演變歷程，總體表現(xiàn)為超新星亮度迅速增加，然后逐漸暗淡下來;繪制紅外光譜，就像是給這顆超新星“測體溫”和“驗血”，研究它的溫度和各類元素的含量。

雙管齊下，這顆超新星的真容便較為完善地展現(xiàn)在人們眼前了。

值得一提的是，以往超新星觀測主要在光學波段開展，長時標的紅外監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其是極早期的數(shù)據(jù)非常珍貴。

此次觀測的8個波段中就有4個紅外波段的數(shù)據(jù)。研究人員從該超新星被發(fā)現(xiàn)后1天(爆炸后2天，即2017年3月11日)就開始觀測它了。

超新星爆炸后亮度達到峰值的時刻被稱為光極大。從光極大之前16天，到光極大之后125天，總共140余天的長時間觀測數(shù)據(jù)幾乎見證了這顆超新星從璀璨到消亡的整個生命歷程。

建立數(shù)據(jù)參照物 超新星研究可“從一而終”

文章合著者、美國德州農工大學物理天文系教授尼古拉斯·桑采夫對這項成果評價道，該研究獲得的光變曲線將會作為Ⅰa型超新星的最好例子。

王靈芝告訴記者：“我們在8個波段開展了超新星極早期到極晚期的長期監(jiān)測，提供了一個較為連續(xù)、完整的數(shù)據(jù)，為今后開展超新星的比較研究提供了一個‘標尺’。”她指出，該研究廣受關注的一個重要原因，正是這個“標尺”作用。

與大多數(shù)天文學研究類似，學者對某顆新發(fā)現(xiàn)的超新星觀測時也往往熱衷于將其與更早發(fā)現(xiàn)的超新星作比對。然而，在超新星的“圈子”中，并沒有一個超新星的研究數(shù)據(jù)可以作為完整的“參照物”。這意味著可能需要多顆超新星作為比較對象。

舉個例子，如果研究超新星A的某一波段光變曲線，可以和該波段以往研究數(shù)據(jù)較多的超新星B做比較，但如果要研究A的其他波段，也許B的數(shù)據(jù)就不足了，這時候還要引入另一個超新星C。比較對象增多不僅增加了研究人員的工作量，也給研究的科學性、嚴謹性帶來了挑戰(zhàn)。

王靈芝團隊此次的研究成果結合此前多個國際團隊對SN2017cbv超新星的研究數(shù)據(jù)，很可能為這顆超新星貼上“標尺”的標簽，從此其他科研人員對超新星進行比較研究時便可“從一而終”。

光學與紅外波段相結合 首次探索消光矯正新方式

2011年，諾貝爾物理學獎花落超新星研究領域。科學家利用超新星測距得出了宇宙正加速膨脹的結論。目前超新星距離測量中面臨的主要問題之一，是超新星宿主星系消光。

超新星爆炸后輻射的光子會穿過超新星所在的宿主星系，經(jīng)歷漫長而神秘的星際旅途，撞進銀河系的懷抱，才最終被地球上的望遠鏡捕獲。其間，光子可能會與各種各樣的星際物質碰撞，損失能量，即出現(xiàn)消光現(xiàn)象。換言之，我們觀測到的光子并非原始的模樣，要復原它，就需要進行科學的消光矯正。

“我們在國際上首次探索了光學和紅外波段的顏色(兩個波段的亮度差)—星等(一個波段的亮度)圖研究，由于紅外波段受消光影響更小,光學波段的消光可通過該顏色—星等圖準確測量，從而提供一種新的消光矯正方式。”王靈芝解釋，顏色—星等圖，可以用來測定超新星所在宿主星系的消光和距離，是超新星領域中一種重要的研究手段。

此外，別看超新星是個熱門研究天體，其實超新星的很多性質和演變機制等都是未解之謎，爆炸機制就是其中之一。

令王靈芝驚訝的是，團隊通過分析發(fā)現(xiàn)光極大之后的數(shù)據(jù)與目前學界主流的一種爆炸模型較為吻合，但光極大之前的數(shù)據(jù)卻不同于任何一種現(xiàn)有主流模型。這意味著，該團隊獲得的超新星早期數(shù)據(jù)對目前現(xiàn)存的爆炸模型提出了挑戰(zhàn)。

此次研究還有一個出乎意料的發(fā)現(xiàn)。超新星的前身星研究一直是重點領域，有單簡并系統(tǒng)和雙簡并系統(tǒng)兩種類型，二者區(qū)別主要在于伴星的類型。雙簡并系統(tǒng)是指超新星前身星的主星和伴星都是白矮星，二者相互繞轉最終并合，成為超新星;而單簡并系統(tǒng)是指主星為白矮星，伴星非白矮星，主星吸積伴星物質，最終爆炸成超新星。

按照此前早期對SN2017cbv超新星的觀測數(shù)據(jù)，該超新星的前身星更傾向于單簡并系統(tǒng)，如果超新星的伴星有氫的話,模型預測在光極大之后的1—2個月內,應該能夠明顯探測到氫的紅外譜線。“奇怪的是，我們從紅外數(shù)據(jù)中，并沒有探測到這條譜線。當然，受限于本研究的邊界條件，也不能排除SN2017cbv是單簡并系統(tǒng)的可能性。”王靈芝表示。

這種未知的探索讓王靈芝十分感慨。“上學的時候總想把一個東西搞得明明白白，是黑即黑，是白即白;到了做科研的時候才發(fā)現(xiàn)，天文學是彩色的，有無數(shù)未知的可能性。當然，這也是它令我著迷之所在。”她說。(于紫月)