不止於行星探測：開普勒尋找爆發恆星

天文學家艾德·沙雅（Ed Shaya）正在自己的辦公室檢視NASA的開普勒空間望遠鏡2012年的數據。此時，他注意到一些不尋常的東西：從一個星系發出的光很快地變亮了10%。如此突然的亮度增加讓沙雅立馬激動了起來，但也令他不安。這個效應可以用恆星的劇烈爆發——超新星來解釋；或者是更加惱人的可能——一個電腦錯誤。

「我只記得在那一天，我不知道該不該相信這個發現。」他回憶說。他沒有立馬慶祝，而是想，「我誤判了嗎？我是不是全都做錯了？」

快速演化明亮暫現超新星

這段動畫展示了一種叫做「快速演化明亮暫現源」的恆星爆發現象。在這種情況下，一顆巨星在爆炸為超新星前一年左右「打嗝」拋出一個氣體塵埃殼。當超新星觸碰到先前噴發的物質時，它的大部分能量都轉化為了光，結果就是產生一段短暫而明亮的暴發輻射。

Credits: NASA/JPL-Caltech

恆星的爆發鍛造並散播了組成我們所生活世界的物質，並且為探究宇宙膨脹的速度提供了線索。通過了解超新星，科學家可以解鎖眾多謎團，它們是了解我們由何組成、以及宇宙最終命運的關鍵。但是，為了得到完整的圖像，科學家必須從各種不同的視點觀測超新星，尤其是在爆發的第一時間。這非常困難——沒有人知道接下來何時何地會發生超新星爆發。

包括沙雅在內的一小組天文學家意識到，開普勒望遠鏡能夠為搜尋超新星提供一種新的技術。開普勒發射於2009年，其最有名的工作是發現了數千個系外行星。但是當一台望遠鏡長時間注視空間中的單片區域時，它可以捕獲到其他宇宙現象的寶箱——尤其是像超新星那種迅速變化、突然出沒於視線中的現象。

「開普勒開啟了一種觀察天空的新方式。」開普勒項目科學家傑西·多特森（Jessie Dotson）說。她是位於加州矽谷的NASA埃姆斯研究中心開普勒項目的科學家。「開普勒望遠鏡的設計目標是將一件事情做到最好，那就是尋找其他恆星周圍的行星。為了做到這點，它必須發送高精度的連續數據，這樣的數據對於天文學的其他領域也極具價值。」

原本，沙雅和同事正在他們的開普勒數據中尋找活動星系核。活動星系核是星系中心的一個極端明亮的區域，在那裡，一個貪吃的黑洞被一個熾熱氣體盤所包圍。他們也曾想過用這些數據搜尋超新星，但是由於超新星實在罕見，他們在項目方案中並未提及這一點。「（搜尋超新星的）不確定因素太多了。」沙雅說。

由於沙雅不確定自己找到的超新星信號是真的，他和馬里蘭大學的同事羅伯特·歐靈（Robert Olling）花費了數月時間開發軟體，以更好地對開普勒數據進行定標。他們的新軟體將溫度變化和儀器指向都考慮在內。對數據進行新的處理後，超新星信號仍然存在。事實上，他們在擁有超過400個星系的開普勒樣本中又發現了5個超新星。當歐靈將其中一個信號展示給巴爾的摩空間望遠鏡研研究所的天文學家阿爾敏·雷斯特（Armin Rest）時，雷斯特吃驚不已。「我簡直驚呆了。」他說。對於追蹤和理解恆星爆發而言，一種新方法的大門打開了。

現在，這些天文學家是開普勒河外巡天（Kepler Extra-Galactic Survey）的成員。這項巡天計劃是美國、澳大利亞和智利的7位天文學家搜尋超新星和活動星系核的合作項目，有助於探究我們的宇宙的物理學。到目前為止，他們已經使用開普勒望遠鏡發現了超過20個超新星，包括一個雷斯特在《自然·天文學》（Nature Astronomy）上報告的奇異型超新星。

「我們有一些被研究得最透徹的超新星。」布拉德·塔克（Brad Tucker）說。塔克是澳大利亞國立大學斯特朗洛山天文台的天文學家，他也是開普勒河外巡天項目的成員。

這段動畫展示了一顆白矮星的爆發。白矮星是恆星不再能進行核燃燒後的極緻密殘骸。在這種「Ia型」超新星中，白矮星的引力將一顆臨近伴星的物質偷取過來。當白矮星質量上升到目前太陽質量的大約1.4倍時，它將無法支撐自身的重量，繼而發生爆炸。

Credits: NASA/JPL-Caltech

我們為何關心超新星？

恆星如何和為何以不同的方式爆發，是天體物理學中一個存在良久的謎團。一種超新星發生於緻密的死亡恆星——白矮星爆發的時候。第二種超新星發生於單個巨大恆星生命接近終點的時候，此時它的核心再也無法承受作用於其上的引力。這些大致類型的細節仍然在研究當中。

第一種「Ia型」（讀作「壹A型」）十分特別，因為這類中的每一個超新星的本徵亮度幾乎都一樣。天文學家使用這種標準的特性來測量宇宙的膨脹，並且發現超新星越遠，則比預期的更暗。這表明它們比科學家之前想的更加遙遠，因為光線走的路程隨著宇宙的膨脹也被拉長了。這些結果證明了宇宙正在加速膨脹，研究人員因此獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。最主流的理論是，一種叫做「暗能量」的神秘力量將宇宙中的所有東西和其他東西分開，並且越來越快。

但是，隨著天文學家找到越來越多的Ia型超新星爆發（包括使用開普勒），他們意識到不是所有Ia型超新星都具有相同的起源。有些Ia型超新星產生於白矮星掠奪了過多伴星的物質，而其他的則是兩個白矮星併合的結果。事實上，白矮星併合可能更為普遍。使用開普勒進行的更多超新星研究將幫助天文學家回答這一問題：不同的Ia型超新星爆發機制是否會產生一些亮於其他的超新星。這將對於使用超新星測量宇宙的膨脹大有裨益。

「為了獲得限制暗能量的更好的方法，我們必須對這些Ia型超新星的形成方式有更深的了解。」雷斯特說。

白矮星併合產生的Ia型超新星

這段動畫展示了兩個白矮星的併合。白矮星是恆星不再能進行核燃燒後的極緻密殘骸。白矮星併合是「Ia型」超新星發生的另一種方式。

Credits: NASA/JPL-Caltech

另一種超新星，即「核心坍縮」型，發生於大質量恆星以爆炸結束生命之時。這當中包括「II型」超新星。這些超新星具有特徵性的激波——「激波暴」，開普勒望遠鏡首次在光學波段觀測到了這種激波。開普勒河外巡天團隊由位於印第安納的聖母大學天體物理學教授皮特·迦納維奇（Peter Garnavich）領導；團隊從2011年的開普勒數據中發現了來自超新星KSN 2011d的激波暴，KSN2011d爆發自一顆大約500倍太陽大小的恆星。令人驚訝的是，團隊並沒有在一個更小的II型超新星KSN 2011a中找到激波暴，而是發現該超新星依偎在塵埃層中；該超新星爆發自一顆300倍太陽大小的恆星。這樣的差異顯示，II型超新星爆發也存在多樣性。

開普勒的數據還揭示了關於超新星的其他秘密。雷斯特領導的在《自然·天文學》刊發的新研究描述了從開普勒的擴展任務K2獲取的數據中找到的一顆超新星，在僅僅兩天多的時間內達到峰值亮度，比其他超新星所用時間短了10倍。這是已知的「快速演化明亮暫現」（FELT）超新星中最為極端的一個。FELT超新星和Ia型超新星差不多一樣亮，但是前者在不到10天時間中急劇變亮，並在30天內黯淡下去。FELT超新星的前身恆星有可能在爆發前1年向外拋出了一個緻密氣體殼，當爆發發生時，噴發物質衝擊到氣體殼上。這個撞擊過程中釋放的能量就能解釋迅速增亮的現象。

為什麼使用開普勒？

地球上的望遠鏡提供了關於爆發恆星的許多信息，但是只能持續一小段時間，而且只能在日落天清之後才能觀測，因此難以記錄這些爆發前後的效應。開普勒望遠鏡則不同，它為天文學家提供了持續數月觀測天空中單片區域的罕見機會，就像一直工作的行車記錄儀一樣。事實上，最初的開普勒任務從2009年運行至2013年，使用4年時間觀測同一片天區，每隔30分鐘拍攝一張照片。在其擴展的K2階段任務中，望遠鏡連續3個月都會持續穩定地注視一個方向。

(這篇文章中的視頻數量超出了微信公眾號規定的三部，所以抱歉無法放上第四段視頻，就給出視頻源地址：https://www.youtube.com/watch?v=AxSQTFOzBWw)

這段動畫展示了一顆巨大的恆星發生的「核心坍縮」超新星爆發。隨著恆星內部原子的「燃燒」，恆星最終將無法支撐自身重量。引力促使恆星向自己坍縮。核心坍縮超新星，依據其顯現的化學元素的不同，被分為Ib、Ic和II型。

Credits: NASA/JPL-Caltech

藉助地基望遠鏡，天文學家可以得到超新星的顏色，以及顏色隨時間的變化，這使他們可以搞清楚爆發中出現了哪些化學物質。超新星的成分可以幫助確定其前身星 的類型。另一方面，開普勒望遠鏡揭示了恆星爆發的機制和原因，以及爆發推進的細節。結合使用這兩部分數據，天文學家可以得到超新星行為的比以往更完整的圖像。

開普勒任務的計劃者在2013年復甦瞭望遠鏡，那是在它的四個反作用輪的第二個發生故障之後。反作用輪是幫助控制飛行器方向的硬體。在K2的配置中，它需要大約每三個月旋轉一次，這標記了觀測計劃。開普勒地外巡天的成員確保了在K2任務中，除了系外行星，開普勒仍可以監測超新星和其他奇特的、遙遠的天體。

由@傅煜銘 翻譯製圖

Credit：NASA

開普勒團隊設計的K2觀測計劃對於協調地基望遠鏡進行超新星研究十分有用，這一點非常令人激動。16號計劃開始於2017年12月7日，結束於2018年2月25日，包括了9000個星系。17號計劃中有大約14000個星系，最近剛剛開始。在這兩項觀測中，開普勒都朝向地球方向，這樣一來，地球上的觀測者就可以看到飛行器觀察的同一片天區。觀測計劃令從這種天地望遠鏡協同中受益的研究人員們興奮不已。

一個最近的發現讓天文學家們在今年「超級盃」大賽（美國兩大美式橄欖球聯盟冠軍隊之間的年度總決賽）的星期天「躁」了起來，雖然他們並沒有參賽。在那個「超級」的日子，全天自動化超新星巡天（ASASSN）報告了開普勒望遠鏡正在監測的同一個近鄰星系中的超新星。這是天文學家們激動於後續觀測的眾多候選事件之一。通過持續監測它們，我們可能會更好地認識宇宙的秘密。

一些新的超新星可能會來自NASA的暫現系外行星巡天衛星（TESS），原計劃於4月16日發射。同時，一旦科學家收到K2的聚焦超新星觀測計劃的完整數據，他們又會面臨很多工作了。

「這將是未來幾年超新星信息的寶庫。」塔克說。埃姆斯中心管理NASA科學任務局的開普勒和K2任務。 NASA位於加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室管理開普勒任務的開發。 Ball Aerospace＆Technologies公司在博爾德科羅拉多大學的大氣與空間物理實驗室的支持下運行飛行系統。

來源：www.nasa.gov

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