給宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光“畫像” 建立數(shù)據(jù)參照物超新星研究可“從一而終”

我們發(fā)布了該超新星長(zhǎng)達(dá)140余天、涵蓋光學(xué)和紅外共8個(gè)波段的測(cè)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(guó)科學(xué)院南美天文研究中心、國(guó)家天文臺(tái)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(lái)會(huì)亮一些;如果距離較遠(yuǎn)，看起來(lái)則暗一些。燭光本身的亮度其實(shí)沒(méi)有變化，只是距離遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(xué)紅外多波段、長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，學(xué)者們苦于沒(méi)有完備的超新星對(duì)比“標(biāo)尺”。

1月8日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院南美天文研究中心、國(guó)家天文臺(tái)中智天文聯(lián)合研究中心助理研究員王靈芝博士帶領(lǐng)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，獲得了迄今為止單個(gè)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(guān)成果已刊發(fā)在《天體物理學(xué)報(bào)》上。

8個(gè)波段140余天密集監(jiān)測(cè)翔實(shí)描繪一顆Ⅰa型超新星真容

一些恒星臨近生命終結(jié)的時(shí)候，會(huì)發(fā)生劇烈爆炸，成為一顆超新星。它們爆炸產(chǎn)生的光亮往往能夠照亮其所在的整個(gè)星系，仿佛以這種極其壯烈的方式向整個(gè)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(zhì)達(dá)到臨界質(zhì)量后產(chǎn)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(chǎn)生的峰值光度一般認(rèn)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(gè)非常熱門的研究對(duì)象。王靈芝團(tuán)隊(duì)與很多科學(xué)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(yuǎn)鏡的觀測(cè)位置優(yōu)勢(shì)，及時(shí)獲得了這顆超新星的大量數(shù)據(jù)。”王靈芝在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，“我們發(fā)布了該超新星長(zhǎng)達(dá)140余天、涵蓋光學(xué)和紅外共8個(gè)波段的測(cè)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(xué)中，光變曲線是表示天體亮度隨著時(shí)間變化的曲線，光譜則是某一時(shí)刻望遠(yuǎn)鏡接收到的不同能量光子的分布圖。

王靈芝打了個(gè)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(lái);繪制紅外光譜，就像是給這顆超新星“測(cè)體溫”和“驗(yàn)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(cè)主要在光學(xué)波段開展，長(zhǎng)時(shí)標(biāo)的紅外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是極早期的數(shù)據(jù)非常珍貴。

此次觀測(cè)的8個(gè)波段中就有4個(gè)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(cè)它了。

超新星爆炸后亮度達(dá)到峰值的時(shí)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(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)幾乎見證了這顆超新星從璀璨到消亡的整個(gè)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(guó)德州農(nóng)工大學(xué)物理天文系教授尼古拉斯·桑采夫?qū)@項(xiàng)成果評(píng)價(jià)道，該研究獲得的光變曲線將會(huì)作為Ⅰa型超新星的最好例子。

王靈芝告訴記者：“我們?cè)?個(gè)波段開展了超新星極早期到極晚期的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，提供了一個(gè)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(gè)‘標(biāo)尺’。”她指出，該研究廣受關(guān)注的一個(gè)重要原因，正是這個(gè)“標(biāo)尺”作用。

與大多數(shù)天文學(xué)研究類似，學(xué)者對(duì)某顆新發(fā)現(xiàn)的超新星觀測(cè)時(shí)也往往熱衷于將其與更早發(fā)現(xiàn)的超新星作比對(duì)。然而，在超新星的“圈子”中，并沒(méi)有一個(gè)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(duì)象。

舉個(gè)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(shí)候還要引入另一個(gè)超新星C。比較對(duì)象增多不僅增加了研究人員的工作量，也給研究的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

王靈芝團(tuán)隊(duì)此次的研究成果結(jié)合此前多個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)對(duì)SN2017cbv超新星的研究數(shù)據(jù)，很可能為這顆超新星貼上“標(biāo)尺”的標(biāo)簽，從此其他科研人員對(duì)超新星進(jìn)行比較研究時(shí)便可“從一而終”。

光學(xué)與紅外波段相結(jié)合首次探索消光矯正新方式

2011年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落超新星研究領(lǐng)域?？茖W(xué)家利用超新星測(cè)距得出了宇宙正加速膨脹的結(jié)論。目前超新星距離測(cè)量中面臨的主要問(wèn)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(huì)穿過(guò)超新星所在的宿主星系，經(jīng)歷漫長(zhǎng)而神秘的星際旅途，撞進(jìn)銀河系的懷抱，才最終被地球上的望遠(yuǎn)鏡捕獲。其間，光子可能會(huì)與各種各樣的星際物質(zhì)碰撞，損失能量，即出現(xiàn)消光現(xiàn)象。換言之，我們觀測(cè)到的光子并非原始的模樣，要復(fù)原它，就需要進(jìn)行科學(xué)的消光矯正。

“我們?cè)趪?guó)際上首次探索了光學(xué)和紅外波段的顏色(兩個(gè)波段的亮度差)—星等(一個(gè)波段的亮度)圖研究，由于紅外波段受消光影響更小,光學(xué)波段的消光可通過(guò)該顏色—星等圖準(zhǔn)確測(cè)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(lái)測(cè)定超新星所在宿主星系的消光和距離，是超新星領(lǐng)域中一種重要的研究手段。

此外，別看超新星是個(gè)熱門研究天體，其實(shí)超新星的很多性質(zhì)和演變機(jī)制等都是未解之謎，爆炸機(jī)制就是其中之一。

令王靈芝驚訝的是，團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)光極大之后的數(shù)據(jù)與目前學(xué)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(tuán)隊(duì)獲得的超新星早期數(shù)據(jù)對(duì)目前現(xiàn)存的爆炸模型提出了挑戰(zhàn)。

此次研究還有一個(gè)出乎意料的發(fā)現(xiàn)。超新星的前身星研究一直是重點(diǎn)領(lǐng)域，有單簡(jiǎn)并系統(tǒng)和雙簡(jiǎn)并系統(tǒng)兩種類型，二者區(qū)別主要在于伴星的類型。雙簡(jiǎn)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(zhuǎn)最終并合，成為超新星;而單簡(jiǎn)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(zhì)，最終爆炸成超新星。

按照此前早期對(duì)SN2017cbv超新星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，該超新星的前身星更傾向于單簡(jiǎn)并系統(tǒng)，如果超新星的伴星有氫的話,模型預(yù)測(cè)在光極大之后的1—2個(gè)月內(nèi),應(yīng)該能夠明顯探測(cè)到氫的紅外譜線。“奇怪的是，我們從紅外數(shù)據(jù)中，并沒(méi)有探測(cè)到這條譜線。當(dāng)然，受限于本研究的邊界條件，也不能排除SN2017cbv是單簡(jiǎn)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(xué)的時(shí)候總想把一個(gè)東西搞得明明白白，是黑即黑，是白即白;到了做科研的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)是彩色的，有無(wú)數(shù)未知的可能性。當(dāng)然，這也是它令我著迷之所在。”她說(shuō)。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光 超新星研究