不死的恒星

赤緯

恒星并不恒久，它們都有著一定的壽命。但天文學家發(fā)現(xiàn)了一顆可不斷死而復生的恒星，它是怎么做到的？

就像我們?nèi)祟愐粯樱阈且灿幸粋€出生，然后經(jīng)歷一個生命周期，最終走進死亡。不過，恒星的壽命要長得多，從幾百萬年到幾萬億年不等。一顆恒星的死亡方式取決于它的質(zhì)量：小質(zhì)量的恒星可以輕輕把自己的外層物質(zhì)拋出，形成行星狀星云，自己會變?yōu)橐活w白矮星;大質(zhì)量的恒星可以在一場被稱為超新星的壯觀爆炸中走向毀滅，而核心處殘余的物質(zhì)會坍縮成中子星或黑洞。

對于一顆普通的恒星來說，超新星是一次性的事件，標志著一顆恒星生命的終結(jié)——至少我們是這么認為的。然而最近，天文學家卻發(fā)現(xiàn)了一顆經(jīng)過多次超新星爆炸的恒星。為什么會這樣？在嘗試回答這個問題之前，我們首先來了解一下超新星的基礎(chǔ)知識。

兩種常見的超新星

超新星有兩種常見的類型：Ia型和II型。Ia型超新星通常發(fā)生在由引力結(jié)合在一起的一對恒星中，天文學把這對恒星稱之為雙星系統(tǒng)。在這種情況下，其中一顆恒星是白矮星——一顆密度非常大且體積很小的恒星核心殘骸，它的伴星既可以是一顆巨型恒星，也可能是一顆更小的白矮星。當這顆白矮星開始吞噬其伴侶的物質(zhì)時，它最終將達到太陽質(zhì)量的1.4倍（這被稱為錢德拉塞卡極限），這會迫使白矮星進入一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而在一種被稱為Ia型超新星的奢華明亮的爆炸中死亡。

超新星并不僅僅出現(xiàn)在包含白矮星的雙星系統(tǒng)中，一些質(zhì)量不少于8倍太陽質(zhì)量的孤立恒星也會發(fā)生這種情況。恒星由核聚變產(chǎn)生能量，與太陽不同的是，大質(zhì)量的恒星能夠合成原子量比氫和氦更重的元素。

當這些恒星到達生命的終點時，為恒星核心提供能量的氫首先被消耗掉，然后恒星開始以氦為燃料，并聚變出更重的元素。氦消耗完后，恒星隨后將消耗其他重元素，從碳、氧、氖、鎂，再到硅，直到鐵出現(xiàn)在核心中。然而，鐵的核聚變會吸收能量，這樣核心處就不能產(chǎn)生能量來支撐恒星，最終在自身質(zhì)量下坍塌。這導致了恒星的內(nèi)爆，外圍的物質(zhì)會被反彈，從而變?yōu)橐粓鰟×业谋?。這種爆炸被稱為II型超新星。

由于超新星爆炸釋放出的能量極大，也產(chǎn)生了比恒星所能產(chǎn)生的更高的溫度，如此高溫的環(huán)境適合許多重元素的合成。所以，超新星爆發(fā)的過程中會合成很多重元素，包括比鐵重的元素。事實上，宇宙中有半數(shù)左右的比鐵重的元素都是超新星爆發(fā)帶來的。

超新星爆發(fā)會將恒星大部分物質(zhì)拋散到周圍的太空，拋出的物質(zhì)在向外膨脹的過程中會與星際介質(zhì)（恒星間彌漫的氣體和塵埃）相互作用而形成一種云狀結(jié)構(gòu)，這就是超新星遺跡。

如何區(qū)分超新星的類型

在肉眼看來，這兩種類型的超新星是無法分辨的，因為它們只不過是壯觀的爆炸，將氣體和塵埃分散到周圍的太空。然而，天文學家已經(jīng)找到區(qū)分它們的辦法，一個辦法就是分析超新星的光譜。

光譜可以顯示了光在不同波長范圍內(nèi)的強度。當一種元素存在于氣體和塵埃中時，它會吸收特定波長的能量，天文學家可以通過研究它在光譜中留下的痕跡來識別它。分析光譜時，區(qū)分這兩種超新星的過程，實際上只是一個簡單的問題：是否存在氫吸收譜線？如果答案是肯定的，那么就是II型超新星。如果答案是否定的，那么就是Ia型超新星。

超新星爆發(fā)后，其亮度也會隨著時間的推移逐漸減弱。通過觀測亮度的變化，天文學家也能區(qū)分這兩種超新星。超新星爆發(fā)后，天文學家會利用天文望遠鏡記錄超新星的亮度在一段時間內(nèi)是如何變化的。他們通常會以橫軸為時間，縱軸為亮度作圖，繪制出超新星亮度隨時間變化的曲線，簡稱為光曲線。光曲線的形狀，能幫助天文學家確定發(fā)生的超新星是什么類型的。

如果你觀察Ia型超新星的光曲線，最明顯的特征是亮度的急劇增加，達到50億倍我們太陽的光度，然后逐漸下降。而II型超新星的初始亮度也有類似的急劇增長，但爆炸后往往會有一段時間沒有亮度變化，隨后它會在大約100天里逐漸變暗。

一顆怪異的超新星

2013年2月，美國加州理工學院等多個研究機構(gòu)開展了“中級帕洛馬瞬變工廠”（iPTF）天文學項目，內(nèi)容是利用美國加州圣地亞哥帕洛瑪天文臺來在夜空中搜尋超新星及其他光學瞬間變化的天文學現(xiàn)象。該項目在發(fā)現(xiàn)超新星方面非常成功，天文學家每晚都能發(fā)現(xiàn)大約10顆超新星。由于觀測到的數(shù)量太多了，這讓天文學家忙不過來了，他們不得不選擇放棄一些看似沒什么意思的觀測對象。

在2014年9月，該項目發(fā)現(xiàn)了一顆最初沒有引起多大反應(yīng)的超新星。它被命名為iPTF14hls，位于大熊星座上，距離地球大約有10億光年。根據(jù)其光譜和光曲線，它最初被歸類為II型超新星。由于當它被發(fā)現(xiàn)的時候，它的亮度正在逐漸衰弱，所以天文學家認為它只是一顆經(jīng)過了它的峰值亮度的超新星，打算放棄研究它。然而在接下來的幾個月里，天文學家突然發(fā)現(xiàn)iPTF14hls又開始變亮了。這絕對是一件不尋常的事情，因為通常的超新星一旦暗下去之后，就再也不會變亮起來。

這顆名為iPTF14hls的“不死之星”迅速成為了超新星中的一朵奇葩。在接下來的600天里，天文學家發(fā)現(xiàn)，它的光曲線出現(xiàn)了驚人的5個峰值，也就是說這顆超新星變暗再變亮，至少反復了5次。

當天文學家決定查看過去的觀測檔案時，事情變得更加驚人。記錄表明，在1954年的同一地點也發(fā)生過一次超新星爆發(fā)。多數(shù)天文學家認為，它極有可能是同一顆恒星產(chǎn)生的。這就意味著，這顆恒星經(jīng)過60多年的不斷的超新星爆發(fā)，每次都奇跡般地存活了下來。

一顆恒星要實現(xiàn)這么多次的超新星爆發(fā)，它必須有足夠多的質(zhì)量，因為每次都會拋出大量的氣體。天文學家估計，這顆恒星的質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的100倍。

那么，這顆超新星究竟如何“起死回生”的呢？科學家感到很困惑。因為iPTF14hls打破了當前所有描述超新星行為的理論模型，天文學家想對這顆超新星給出一種全新的解釋，然而不幸的是，天文學家無法給出一個合理的解釋。

不是多次超新星爆發(fā)？

然而，仍有一些理論，看似可以很好地解釋這些難以捉摸的現(xiàn)象。美國加州大學圣克魯斯分校的天文學家斯坦·伍斯利就有一個不錯的理論。他認為，多個光曲線的峰值的出現(xiàn)，不是多次超新星爆發(fā)引起的，而是超新星爆發(fā)時拋出的物質(zhì)撞上周圍多層的物質(zhì)外殼引起的。爆炸前的那顆恒星，因為質(zhì)量太大，其外層大氣的很多物質(zhì)曾被產(chǎn)生的恒星風多次吹走，吹走后的恒星物質(zhì)冷卻后，在周圍形成了圍繞這顆恒星的多層外殼。超新星爆發(fā)時，恒星物質(zhì)以每秒數(shù)千千米的速度向四面八方飛散，形成沖擊波，并最終會撞向周圍那些移動緩慢的多層物質(zhì)外殼。每一次碰撞會產(chǎn)生強烈的光，穿過10億光年的太空，最終被地球上的天文望遠鏡所捕獲。

然而，盡管伍斯利的理論解釋了iPTF14hls光曲線的形狀，但如果通過光譜來分析的話，這一理論是有問題的。乍一看，這顆恒星發(fā)出的光的光譜與II型超新星類似，即有明顯的氫吸收譜線。但與上面的理論相矛盾的是，沒有跡象表明有碰撞出現(xiàn)。通常來說，如果有物質(zhì)擋住了沖擊波的去路，那么在光譜中就應(yīng)該留下相應(yīng)的跡象。

在這顆不死的恒星的消息登上各大新聞頭條之后，許多天文學家也加入了破解該謎團的行列，但目前還沒重大的研究進展。但對于天文學家來說，繼續(xù)對iPTF14hls進行觀測是一件比解釋它更為重要的事情。

這顆超新星還在發(fā)光。隨著爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)不斷膨脹，人們更容易看清它的內(nèi)部。同時，它現(xiàn)在也正在變暗，所以天文學家希望能夠在信號變得太弱之前，從爆炸的內(nèi)部得到一些新的線索。所以，一場與時間賽跑的任務(wù)開始了。天文學家已經(jīng)利用美國夏威夷的凱克天文臺收集了新的光譜數(shù)據(jù)。他們還計劃使用哈勃太空望遠鏡，利用其難以置信的高分辨率來收集數(shù)據(jù)。也許借助更多的數(shù)據(jù)，天文學家會在不久的將來解開這顆恒星不死的秘密。