捕捉恆星爆炸之聲

通過可聽化處理——即把多波段觀測數據轉換成聲音，天文學家就能從看似隨機分布的數據中識別出潛在的模式和規律。（圖片來源：ASTRONOMY:CHUCK BRAASCH; X-RAY:NASA/CXC/CALTECH/S. KULKARNI, ET AL.; OPTICAL: NASA/STScl/UIUC/Y. H. CHU & R. WILLIAMS, ET AL.;IR:NASA/JPL-CALTECH/R. GEHRZ, ET AL. (SUPERNOVA REMNANT N49); SHUOSHU/STOCK/THINKSTOCK (ABSTIRACT DATA); -M-I-S-H-A-/ISTOCK/THINKSTOCK(SOUND WAVE)）

幾百年前，我們的宇宙被視為是永久、恆定的完美代表。但是過去90年、特別是最近10年的發現動搖了這個哲學觀點，取而代之的是動態宇宙的概念。從這個新觀點來看，星系會隨時間演化，恆星也有生有死，在我們頭頂的天空里，到處是成因五花八門、壽命長短各異的天體，甚至連宇宙自身也正在膨脹。宇宙各處充滿了活動。

多虧了前所未見的高解析度與深度觀測能力，新型望遠鏡每晚都能監測很大部分的天空，幫我們研究、認識動態的宇宙。天文學家利用多波段觀測——例如可見光和X射線波段——深入探索無時無刻不在變化的宇宙。這些觀測大大增進了我們對宇宙和其中物質的了解。與其他人一樣，天文學家也是視覺生物。雖然眼睛引導著我們，但其它感官又會為我們帶來些什麼呢？如果依靠聽覺，我們對宇宙又會有怎樣的了解呢？

科學發展史告訴我們，看事物的眼光和/或數據展示方式的巨大改變常常帶來深刻的認識。因此，我和同事一起開展多波段觀測，並把觀測數據轉換成樂曲——一種被稱為「可聽化」處理的過程。舉例來說，大質量恆星的爆炸交響曲就已經向我們展示了此類恆星演化的細節信息。對數據進行「可聽化」處理可以幫我們找出眼睛難以發現的圖樣。

動態的宇宙

宇宙並非寧靜之所；在你生命中的每一秒，宇宙某處都有一顆超新星正在爆發。其中大約30%的超新星標誌著雙星系統內的白矮星走到了生命演化的終點；剩下的70%則源自於垂死掙扎的大質量恆星——在爆炸中，它們的星核坍縮，物質飛散。

初始質量高於8倍太陽質量的恆星最終會在強烈爆炸中走向死亡。這些爆炸事件的亮度與其宿主星系的光度不相上下。但即便是最明亮的超新星，其發出的輻射也只佔其總能量的0.001%-0.01%。

爆炸釋放的大部分能量都到哪裡去了？高達99%的能量都被一種神出鬼沒的弱相互作用粒子——中微子帶走了。還有約1%的能量被爆炸拋射物帶走了（物理學家把這稱為爆炸的動能）。用來探測光子的傳統望遠鏡無法看到中微子。這意味著，每一次超新星爆發，天文學家都與其99%的能量失之交臂。即便他們使用最大的地面或空間光學望遠鏡也無濟於事。剩餘約1%的能量，其絕大部分也無法在光學波段被觀測到。但「擴展視界」的X射線和射電望遠鏡觀測卻能幫我們找回那失去的1%。

1987年2月，天文學家目擊了大麥哲倫雲中一顆大質量恆星的爆發。這個超新星名為1987 A。天文學家不僅探測到了超新星發出的光（右下），還首次探測到了中微子。（圖片來源：AUSTRALIAN ASTRONOMICAL OBSERVATORY / DAVID MALIN）

雖然超新星放出的絕大部分能量都不可見，它們卻對超新星周圍的環境影響深遠。不僅如此，恆星爆炸在豐富宇宙化學成分方面扮演著主要角色。在恆星演化的過程中，幾乎所有比氦重的元素都是在星核或者是在超新星爆發中生成的。爆炸把這些元素噴撒到太空中去。因此可知，超新星至關重要。

然而，有關超新星的一些基本問題，我們還沒有解答：恆星是如何爆炸的？不同種類的恆星又會產生怎樣不同的超新星？要想取得進展，我們需要新的研究角度。

多波段觀測

幾百年來，天文學家一直在可見光學波段發現、注視和研究超新星。然而，這些觀測只看到整場爆炸的很小一部分（不過還是有用的）副作用。要想深入理解這些重要的天文事件，我們不能只滿足於可見光，還要展開鮮少被探索過的射電和X射線觀測——換句話說，我們需要擴展觀測窗口，並進行多波段分析。雖然目前的觀測手段無法探測到河外超新星產生的中微子，但這將會是未來天文學研究的前沿領域。

我和同事採用多波段分析法在整個電磁輻射譜內對恆星的爆炸進行研究：從伽馬射線（其能量是可見光能量的10億多倍）到射電波段（其能量比可見光能量低了100萬倍）。沒有遺漏任何光子。

這個方法依據的基本原則是：每個光子都要記數——甚至是（特別是）我們肉眼看不見的光子，並且每個光子攜帶的有關爆炸及其起源或者有關前身星的信息都是獨特的。這種方法讓我們從不同的角度「觀察」恆星的爆炸，為我們深入了解此類事件提供了特殊的、也是關鍵的出發點。

不僅如此，我們這個哈佛團隊（由Alicia Soderberg領導）更進一步，從全新的角度研究未解答的天文學問題。通過開展超新星可聽化項目，我們把觀測數據轉換成聲音，尋找人眼無法識別、視覺顯示技術也捕捉不到的「圖案」。

宇宙交響曲

可聽化是把非音頻信號轉換成聲音。對於我們的研究來說，這一過程就是把恆星爆炸的光度演化轉換成音符，藉助樂曲傳達信息。

通常情況下，一顆超新星從爆發、亮度增加到達到光度峰值只需幾周時間，然後再用幾個月的時間緩慢變暗。超新星的亮度演化及時序特徵因其前身星的性質和所處環境的不同而各異。更重要的是，超新星的光度演化在整個電磁波譜的各個波段差異極大，以至於同一顆超新星在不同的波段（比如說近紅外與紫外波段）有非常不同的表現。

不過，我們可以把這些信息以一種既優美又簡捷的方式——藉助聲音而不是傳統視覺——展現出來。通過可聽化處理，我們把超新星爆發在各個波段、歷經數月之久的複雜演化過程「壓縮」成幾分鐘長的樂曲。

擴展數據

在2011年春季召開的一次科學研討會上，我們受到哈佛-史密松天體物理中心的Wanda L Diaz Merced的啟發而提出可聽化項目。我們使用的工具是美國宇航局（NASA）的公共Java應用軟體xSonify。這個軟體最初是為了擴展NASA數據中心（簡稱SPDF）的視覺展示能力，以吸引學生和研究人員而研發的。對數據進行可聽化處理作為該技術的更一般的應用，可以幫助天文學家從看似隨機分布的數據中識別出潛在的圖樣和規律。

在一個管弦樂隊中，每種樂器演奏的部分都不盡相同。我們使用不同種類的樂器演奏同一場爆炸在不同波段的演化。每種樂器的音高和音量模仿光度隨時間的變化。最後，我們譜寫出一首「超新星交響曲」。

我們計劃對10顆超新星（特別是我們已有了很不錯的觀測數據的超新星）——的觀測數據進行可聽化處理；截至目前，我們已經完成了2顆超新星的處理過程。藉助這個項目，我們將帶領一批直到目前還被排斥在外的、面向非視覺信息的新觀眾（既包括天文學家，也包括大眾）進入超新星的世界。通過把大質量恆星的爆炸轉換成樂曲，我們的可聽化項目提供了一個創造性的，同時也是有效的信息傳遞通道，或許能夠帶領天文愛好者抵達未曾踏足的世界。對於熱愛天文的人來說，這些樂曲代表著一種探索宇宙的新方法。音樂是宇宙的語言。

超新星爆發的可聽化處理還有藝術應用的價值，全球的音樂家對此越來越有興趣。最近，美國全國公眾廣播電台播放了其中一首超新星交響曲，這也是我喜愛的一首曲子。樂曲播出後，就有專業音樂家聯繫我們說想為這項研究所揭示的主題譜曲。

這些超新星其實就是一位與眾不同的作曲家——宇宙譜寫的樂曲。集科學工具、藝術作品及創造性的信息傳遞通道於一身，這便是可聽化處理。

超新星2009ip

我們的首個可聽化試驗不僅證實了這個方法的強大，還幫我們解開了一場引人注目的爆炸事件——超新星2009ip（簡稱SN 2009ip）背後的隱秘。這顆超新星顛覆了我們對大質量恆星演化的認識。

SN 2009ip發生在旋渦星系NGC 7259的外圍區域，距離地球大約8千萬光年遠。2009年，它因為被誤當成是一個超新星爆發而得名SN 2009ip。沒有比這個更具有誤導性的名字了；後來，這顆恆星在2010年和2011年又分別爆發過幾次，表明它無疑從2009年的爆發中倖存了下來。2009年的爆炸肯定不是超新星爆發。

從2012年8月到10月，這顆恆星的活動逐漸增強，並出現了不同尋常的雙變亮，其光度也達到超新星爆發的典型光度。這是否意味著我們在2012年目擊了一次超新星雙爆發？天文界仍在為亮度增加的物理原因爭論不休。我們也仍然不確定，這一次前身星是否又逃過一劫，或者這次特別的爆發是否就是其終場演出。我們將在未來幾年用哈勃望遠鏡繼續觀測同一地點，以確認恆星是否還在那裡。

天文學家認為超新星2009ip的前身星（左圖，拍攝於1999年）在開始其持續數年之久的爆發之前是非常暗弱的。他們還認為這顆恆星在2012年重新變亮或許標誌著大質量恆星的死亡（右圖）。雖然右圖是縮小圖，但仍可看出恆星爆發時的光度與其宿主星系（NGC 7259）不相上下。（圖片來源：NASA / ESA HUBBLE SPACE）

SN 2009ip在2012年的雙變亮與前身星的結局如何並無關聯，不過，它讓我們重新思考大質量恆星生命演化的最後階段：這些恆星在步入生命晚期時所經歷的事件比我們之前認為的要多得多。

2012年那場爆發的總體特徵是出現兩次輻射峰值，彼此間隔40天左右，並且光度不同：第二個輻射峰值比前一個明亮20倍，釋放出的能量也是前一個的20倍。但當我們仔細檢查第二個峰值信號時，我們發現它有著非常複雜（不同尋常）的結構——在主要的輻射部分上面疊加著許多小起伏信號。

毫不稀奇，當我們對數據進行可聽化處理後，複雜的結構便完全顯現出來。每一個信號在恆星爆炸管弦樂隊中都有其對應的樂器。雖然我們收集了SN 2009ip不少觀測數據，不過我們想盡量簡化這首個可聽化嘗試。因此，我們只選取了幾個波段：紫外、可見光、近紅外和X射線波段的數據。小提琴演奏紫外波段的數據，跟蹤的是爆炸中最熾熱的物質的演化。鋼琴演奏偏紅（可見光和近紅外）的 波段，鐃鈸則負責展現爆炸衝擊波與星際物質相撞產生的強烈X射線輻射。

超新星2009ip在不同波長處的亮度也不盡相同；紅外輻射不似紫外輻射那樣強烈。本文作者和同事一起把簡化版數據當作曲譜，為不同波長指定了不同的演奏樂器——他們藉此聆聽到紙 上看不到的新東西。（圖片來源：ASTRONOMY: RICK JOHNSON, AFTER R. MARGUTTI, ET AL.）

2012年的雙爆發以鋼琴演奏開場，展現的是8月間爆炸前期的亮度波動。第二幕的主角是小提琴，對應著9月的亮度增加（此時的光度主要來自紫外輻射）和緊隨其後的獨特演化：反覆爆發。紫外輻射飛快地起起落落，因此小提琴只在樂曲的這個「樂章」擔綱主演。在第三階段（也是最後階段），「紅光」（可見光和近紅外）再次成為爆發的主要輻射，鋼琴也就再度登場直至曲聲漸消。

這就結束了？考慮到SN 2009ip的瘋狂程度，它那60倍太陽質量的前身星仍然健在也不是沒有可能，說不定過幾年它又會再度爆發，讓我們瞠目結舌。也許，第四樂章已經在醞釀中了。請關注它的動向，不要走開。

天文學家綜合了多條證據，以便弄清在名為超新星2009ip的那場爆發中到底發生了什麼。在2009、2010、2011和2012年，這顆恆星多次爆發，證明了其在2009年的 爆發並非是超新星爆發（雖然它因此而得名）。2012年的8月，接下來是9月或10月，恆星的亮度顯著增加。研究者認為這顆恆星是一顆明亮的藍變星，其質量至少是太陽質量的60倍。它可能已在2012年的爆發中成為一個IIn型超新星了。（圖片來源：ASTRONOMY: RICK JOHNSON AND ROEN KELLY; 光變曲線：A. PASTORELLO, ET AL.）

未來的工作

海量數據的時代即將到來。創造性的分析方法和堅持不懈地從不同的、互為補足的角度研究問題（例如多波段分析法）是我們深入理解宇宙的可貴資源。對最奇異的技術（例如可聽化處理）保持開放的頭腦，在未來的天文學研究中或許至關重要。這類技術已經向我們展示了大質量恆星在臨近死亡爆炸時會舉行很棒的告別派對呢。