恒星并不恒久，它們都有著一定的壽命。但天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆可不斷死而復(fù)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€(gè)出生，然后經(jīng)歷一個(gè)生命周期，最終走進(jìn)死亡。不過(guò)，恒星的壽命要長(zhǎng)得多，從幾百萬(wàn)年到幾萬(wàn)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(huì)變?yōu)橐活w白矮星；大質(zhì)量的恒星可以在一場(chǎng)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(huì)坍縮成中子星或黑洞。
對(duì)于一顆普通的恒星來(lái)說(shuō)，超新星是一次性的事件，標(biāo)志著一顆恒星生命的終結(jié)——至少我們是這么認(rèn)為的。然而最近，天文學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了一顆經(jīng)過(guò)多次超新星爆炸的恒星。為什么會(huì)這樣？在嘗試回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們首先來(lái)了解一下超新星的基礎(chǔ)知識(shí)。
兩種常見(jiàn)的超新星
超新星有兩種常見(jiàn)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(duì)恒星中，天文學(xué)把這對(duì)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(dāng)這顆白矮星開(kāi)始吞噬其伴侶的物質(zhì)時(shí)，它最終將達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的1.4倍（這被稱為錢德拉塞卡極限），這會(huì)迫使白矮星進(jìn)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(yáng)質(zhì)量的孤立恒星也會(huì)發(fā)生這種情況。恒星由核聚變產(chǎn)生能量，與太陽(yáng)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(dāng)這些恒星到達(dá)生命的終點(diǎn)時(shí)，為恒星核心提供能量的氫首先被消耗掉，然后恒星開(kāi)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(huì)吸收能量，這樣核心處就不能產(chǎn)生能量來(lái)支撐恒星，最終在自身質(zhì)量下坍塌。這導(dǎo)致了恒星的內(nèi)爆，外圍的物質(zhì)會(huì)被反彈，從而變?yōu)橐粓?chǎng)劇烈的爆炸。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(guò)程中會(huì)合成很多重元素，包括比鐵重的元素。事實(shí)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(lái)的。
超新星爆發(fā)會(huì)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(guò)程中會(huì)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(lái)，這兩種類型的超新星是無(wú)法分辨的，因?yàn)樗鼈冎徊贿^(guò)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(xué)家已經(jīng)找到區(qū)分它們的辦法，一個(gè)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(zhǎng)范圍內(nèi)的強(qiáng)度。當(dāng)一種元素存在于氣體和塵埃中時(shí)，它會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的能量，天文學(xué)家可以通過(guò)研究它在光譜中留下的痕跡來(lái)識(shí)別它。分析光譜時(shí)，區(qū)分這兩種超新星的過(guò)程，實(shí)際上只是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)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(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減弱。通過(guò)觀測(cè)亮度的變化，天文學(xué)家也能區(qū)分這兩種超新星。超新星爆發(fā)后，天文學(xué)家會(huì)利用天文望遠(yuǎn)鏡記錄超新星的亮度在一段時(shí)間內(nèi)是如何變化的。他們通常會(huì)以橫軸為時(shí)間，縱軸為亮度作圖，繪制出超新星亮度隨時(shí)間變化的曲線，簡(jiǎn)稱為光曲線。光曲線的形狀，能幫助天文學(xué)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(dá)到50億倍我們太陽(yáng)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(zhǎng)，但爆炸后往往會(huì)有一段時(shí)間沒(méi)有亮度變化，隨后它會(huì)在大約100天里逐漸變暗。
一顆怪異的超新星
2013年2月，美國(guó)加州理工學(xué)院等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了“中級(jí)帕洛馬瞬變工廠”（iPTF）天文學(xué)項(xiàng)目，內(nèi)容是利用美國(guó)加州圣地亞哥帕洛瑪天文臺(tái)來(lái)在夜空中搜尋超新星及其他光學(xué)瞬間變化的天文學(xué)現(xiàn)象。該項(xiàng)目在發(fā)現(xiàn)超新星方面非常成功，天文學(xué)家每晚都能發(fā)現(xiàn)大約10顆超新星。由于觀測(cè)到的數(shù)量太多了，這讓天文學(xué)家忙不過(guò)來(lái)了，他們不得不選擇放棄一些看似沒(méi)什么意思的觀測(cè)對(duì)象。
在2014年9月，該項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了一顆最初沒(méi)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(dāng)它被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，它的亮度正在逐漸衰弱，所以天文學(xué)家認(rèn)為它只是一顆經(jīng)過(guò)了它的峰值亮度的超新星，打算放棄研究它。然而在接下來(lái)的幾個(gè)月里，天文學(xué)家突然發(fā)現(xiàn)iPTF14hls又開(kāi)始變亮了。這絕對(duì)是一件不尋常的事情，因?yàn)橥ǔ５某滦且坏┌迪氯ブ螅驮僖膊粫?huì)變亮起來(lái)。
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(lái)的600天里，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它的光曲線出現(xiàn)了驚人的5個(gè)峰值，也就是說(shuō)這顆超新星變暗再變亮,至少反復(fù)了5次。
當(dāng)天文學(xué)家決定查看過(guò)去的觀測(cè)檔案時(shí)，事情變得更加驚人。記錄表明，在1954年的同一地點(diǎn)也發(fā)生過(guò)一次超新星爆發(fā)。多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)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(guò)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(lái)。
一顆恒星要實(shí)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?yàn)槊看味紩?huì)拋出大量的氣體。天文學(xué)家估計(jì)，這顆恒星的質(zhì)量至少是太陽(yáng)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(xué)家感到很困惑。因?yàn)閕PTF14hls打破了當(dāng)前所有描述超新星行為的理論模型，天文學(xué)家想對(duì)這顆超新星給出一種全新的解釋，然而不幸的是，天文學(xué)家無(wú)法給出一個(gè)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(guó)加州大學(xué)圣克魯斯分校的天文學(xué)家斯坦·伍斯利就有一個(gè)不錯(cuò)的理論。他認(rèn)為，多個(gè)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(shí)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?yàn)橘|(zhì)量太大，其外層大氣的很多物質(zhì)曾被產(chǎn)生的恒星風(fēng)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(shí)，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(huì)撞向周圍那些移動(dòng)緩慢的多層物質(zhì)外殼。每一次碰撞會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光，穿過(guò)10億光年的太空，最終被地球上的天文望遠(yuǎn)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(guò)光譜來(lái)分析的話，這一理論是有問(wèn)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(méi)有跡象表明有碰撞出現(xiàn)。通常來(lái)說(shuō)，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?lì)^條之后，許多天文學(xué)家也加入了破解該謎團(tuán)的行列，但目前還沒(méi)重大的研究進(jìn)展。但對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，繼續(xù)對(duì)iPTF14hls進(jìn)行觀測(cè)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(shí)，它現(xiàn)在也正在變暗，所以天文學(xué)家希望能夠在信號(hào)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(chǎng)與時(shí)間賽跑的任務(wù)開(kāi)始了。天文學(xué)家已經(jīng)利用美國(guó)夏威夷的凱克天文臺(tái)收集了新的光譜數(shù)據(jù)。他們還計(jì)劃使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，利用其難以置信的高分辨率來(lái)收集數(shù)據(jù)。也許借助更多的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家會(huì)在不久的將來(lái)解開(kāi)這顆恒星不死的秘密。
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