大質量恒星演化末期通常會產生核心塌縮超新星爆發。大量引力勢能瞬間釋放,引發的激波以約十分之一光速傳播,迅速突破恒星外層,并產生黑體溫度達到十萬開爾文的瞬時輻射。這一極早期信號,也是激波穿透瀕死恒星的軀殼并記錄沿途復雜物理過程的旅行日志,因而攜帶了激波傳播、超新星爆發幾何性質及周圍環境等關鍵信息。高速的激波在短短幾小時內便耗散于空間,而現今的觀測記錄也僅限于單色,且都開始于恒星坍縮爆炸后數小時。因此,我們對恒星死亡這一瞬間的了解仍為空白。
圖1. 左上:藝術家構建的超新星SN 2023ixf爆發瞬間的激波突破藝術想象圖(由北京天文館喻京川繪制);右上:超新星SN 2023ixf 的宿主星系 M101部分圖像(來自哈勃空間望遠鏡https://esahubble.org/images/opo0907h/),其中白色方框指示下方小圖在M101中的位置。下方a-d子圖:紅圈顯示超新星SN 2023ixf爆發的位置,以及爆發后在小時時間間隔的亮度和顏色的快速演化。
近日,清華大學物理系王曉鋒教授團隊與多家國內外科研機構及天文愛好者合作,在離地球約2200萬光年的風車星系(M101)中捕捉了大質量恒星死亡后1小時的瞬間。首次記錄的彩色影像揭示了一顆約8500萬倍太陽體積的紅超巨星從死亡到爆發,形成超新星2023ixf爆發的全過程。詳實的多波段觀測清晰地展示了爆發極早期破繭而出的紅色激波,逐漸轉變為藍色的奇特現象。這一前所未見的彩色影像,顛覆了傳統理論框架下,恒星死亡瞬間伴隨藍色激波突破的預期。研究團隊認為,由紅轉藍的漸變激波預示了這顆恒星瀕死之時,周圍包裹著厚厚的塵埃殼。隨著激波迅速外傳,這些塵埃在短短數小時內被悉數摧毀。對這一過程的半解析描述則表明這顆超新星的爆發,或包裹它的塵埃層,則呈現高度的非球對稱。由紅轉藍的激波突破,則如同揭開了籠罩瀕死恒星的一層濃厚的塵埃面紗。此項研究顯著推進了人們對大質量恒星晚期演化和死亡這一宇宙中普遍而神秘景象的認知。
圖2. 數據點表示超新星SN 2023ixf 的視星等演化曲線(上)與顏色演化曲線(下),黑色實線標示出傳統激波冷卻模型預測演化曲線,黑色虛線代表考慮塵埃影響后的模型結果。
該研究成果以《從一顆周圍充滿塵埃的紅超巨星爆發出的激波閃光》(A shock flash breaking out of a dusty red supergiant)為題于2023年12月14日在線發表在《自然》(Nature)上。王曉鋒教授為本文的通訊作者,清華大學2021級博士生李蓋茨為論文的第一作者。中科院紫金山天文臺博士后胡茂凱、國家天文臺博士后李文雄(物理系2020屆博士畢業生)及美國加州大學伯克利分校博士后楊軼為論文共同第一作者。本項目合作團隊還包括云南天文臺、新疆天文臺等研究人員,以及來自星明天文臺、挪威、西班牙、俄羅斯和美國等地的天文學家和天文愛好者。該項工作受到國家自然科學基金基礎科學中心項目、重點項目、新基石科學基金會科學探索獎以及北京市科學技術研究院北科學者項目等資助。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06843-6
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