天文学家观测到了史上最高能的超新星，但它的起源真的是搜寻已久的神秘类型超新星吗？
2020年4月13日，英国学者Nicholl领衔的一篇论文在《自然·天文》(Nature Astronomy) 杂志发表。这篇文章研究了一个编号为“SN 2016aps”的高能、高亮度超新星的性质。尽管这颗超新星并非有史以来最亮的，但却是有史以来被发现的辐射出最多能量的超新星。它发出的能量是此前记录保持者的2.5倍。它的动能也非常大，但并不是最大的，所以重点还是在于它破纪录的辐射能。
SN 2016aps有何奇特之处？通过模型研究，作者们声称这颗最高能的超新星可能是天文学家搜寻已久的 “对不稳定超新星”或者“脉冲对不稳定超新星”，真的是这样吗？在回答这些问题时，我们先看看这次SN 2016aps被发现的过程与针对它进行的后续观测的过程。
发现与观测
2016年2月22日，位于夏威夷的Pan-STARRS（PS）巡天望远镜发现一颗独特的源——它当时的视星等为18.1，而此前这个望远镜的观测表明：它所在位置如果有星系，也必然暗于23等。这就意味着这个源比它所在的星系亮5等以上；换句话说，它的亮度至少是其所在星系亮度的100倍。
因此，天文学家们判定这个源很可能是一颗非常亮的超新星。于是，他们调用其他望远镜观测了这颗超新星的光谱，确认出它的红移是0.2657，对应的距离是35.8亿光年。根据探测到的亮度与距离，可以推断出它的绝对星等为-22.5等，对应的亮度是普通超新星的几十倍以上，属于“超亮超新星”。
这颗超新星一开始被命名为PS16aqy，此后获得统一编号SN 2016aps。在Pan-STARRS巡天望远镜首次探测到这颗超新星之后，它就开始变暗。但天文学家们查找了“中等帕洛玛暂现源工厂（iPTF）”的存档数据之后发现了这颗超新星更早的数据：它最迟在2015年12月2日就已开始变亮，并在2016年1月17日达到最亮。
除了找出更早的档案数据之外，天文学家们还在此后1000多天内观测它各波段上的亮度演化，并在此后500多天内多次观测它的光谱。
Nicholl等人的观测表明，这颗超新星不仅最亮时远比普通超新星亮，而且亮度下降的速度远比同类超新星慢得多，因此它在爆发之后1000多天发出的能量达到5x10^44焦耳。
此前发现的最高能的超新星最多只发出2x10^44焦耳的能量，而普通超新星发出的能量一般只有1x10^42焦耳。这意味着这颗超新星发出的能量是普通超新星能量的500倍左右，是此前记录的2.5倍。
超新星，还是潮汐瓦解事件？
在2015年，天文学家还发现了更亮的源ASASSN-15lh，它辐射发出的能量比这个超新星更多。但这个源到底是不是超新星，至今还在争论中。有的学者认为它是史上最亮的超新星，发出的能量也是最多的。有的学者认为它是一个潮汐瓦解事件，不是超新星。
为了证明SN 2016aps是能量最高的超新星，Nicholl等人要干两件事：
1、强调ASASSN-15lh不一定是超新星，有可能是潮汐瓦解事件；
2、证明SN 2016aps一定是超新星，不是潮汐瓦解事件。
第一项本就是事实，只需要强调。第二项需要证明。不过怎么证明呢？思路如下：
1、潮汐瓦解事件都是在非常靠近星系核心的地方被发现的——理论研究表明，它们是星系核心的超大质量黑洞瓦解、吞噬路过的恒星时产生的现象。
2、检查SN 2016aps是否位于星系的核心。靠近核心的不一定是潮汐瓦解事件，但不靠近核心的一定不是潮汐瓦解事件。
黑洞俘获、瓦解、吞噬恒星，制造出潮汐瓦解事件。| 来源：https://www.astro.umd.edu/~tamarab/Site/Research/97187CB4-2B6A-40B8-9940-9EE36CABC885.html
当然，星系其他地方的中等质量黑洞也可能瓦解恒星、产生潮汐瓦解事件，但这样的黑洞导致的潮汐瓦解事件只持续几天就会迅速暗下去，这与SN 2016aps缓慢变暗、持续上千天都可以观测的特征强烈矛盾，因此可以排除“这个源是位于星系其他地方的中等质量黑洞瓦解恒星时产生的现象”的可能性。
为了确定SN 2016aps是否位于某个星系的核心附近，Nicholl在这颗超新星最亮之后1017天调用哈勃空间望远镜（以下简称“哈勃”）观测了这颗超新星所在的星系——此时，超新星已经暗到不会显著影响它所在星系的亮度。
哈勃的观测分别使用了高级巡天照相机（ACS）与第3代宽场照相机（WFC3）的两个滤光片。观测表明，这两个滤光片测出的这个超新星所在星系的星等分别为23.7等与24.9等。
地面望远镜在超新星峰值之后362天拍摄的超新星所在星系的图像（左）与哈勃空间望远镜的两个滤光片在超新星峰值之后1017天得到的星系的图像（中、右）。对比三种图，哈勃的高分辨率优势展现地很充分：根据地面望远镜的成像，无法判断出这颗超新星在星系中的精确位置，但哈勃可以。| 来源：Nicholl et al. 2020, Nature Astronomy
哈勃的这个结果表明：这个超新星确实在一个星系内，这个星系的亮度只有太阳亮度的4亿倍，是SN 2016aps最亮时亮度的1/100以下。这意味着它是一颗矮星系，中间一般不会有超大质量黑洞。
但确实有极少数矮星系中心有较大质量黑洞，这种情况如何排除？哈勃对SN 2016aps位置的观测给潮汐瓦解事件的可能性最后一击：它远离星系的中心。这个结果意味着它不可能是潮汐瓦解事件，而是一颗超亮超新星。
哈勃的观测还表明，SN 2016aps所在区域的紫外线辐射非常强，这些紫外线是这个区域内的大量年轻恒星发射出来的。这就意味着：SN 2016aps处于这个星系的“恒星形成区域”，它在爆炸前是大质量恒星。
它是天文学家寻找已久的神秘类型的超新星吗？
为了解释这个超新星的亮度演化以及为何会发出如此巨大的能量，论文的作者提出了两个可能的解释：“对不稳定超新星”与“脉冲对不稳定超新星”。即使是一些熟悉超新星的读者，对于这两个概念也会感觉很陌生。但它们又确实都是理论假定的超新星的种类之一。
至今为止，天文学家提出的超新星爆发的模型主要有以下几种：
01 核心塌缩型超新星
大质量恒星演化到末期，核心不再产生辐射，星体在自身引力的作用下收缩，将核心压缩为一个中子星，外层物质被核心反弹，向外爆发。
核塌缩型超新星SN 1993J 爆发后的艺术想象图。| 来源：NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)
02 白矮星热核爆炸超新星
白矮星从伴星那里获取过多物质或者与另外一颗白矮星并合，发生爆炸。所有Ia型超新星都是这么来的。
阿贡国家实验室模拟的单白矮星爆发为Ia型超新星的过程，四张图分别对应爆炸启动之后0秒、0.85秒、1.1秒与1.2秒。| 来源：Argonne National Laboratory / U.S. Department of Energy
03 对不稳定超新星
质量超过140个太阳的超大质量恒星演化到末期，核心产生的光子能量过高，成对转化为电子与反电子，一部分又成对地转变为中微子与反中微子，恒星迅速收缩升温，然后迅速将自身炸毁。
对不稳定超新星爆发的艺术想象图。| 来源：NASA/CXC/M.Weiss
04 脉冲对不稳定超新星
初始质量在70到140个太阳质量的恒星，演化到晚期，核心也存在产生中微子与反中微子的过程，引起恒星收缩，但只是将恒星的外层喷出，不将恒星彻底炸毁。这样的过程就是“脉冲对不稳定”，它会发生一次、两次甚至多次。如果后喷发出的物质能够追上前面的物质，就会使一部分机械能转化为内能，使亮度突然增加；如果恒星最后爆炸为核塌缩型超新星，然后撞击此前喷发出的物质，也可以大大提高亮度。这两类都被称为“脉冲对不稳定超新星”。其实，我认为，后者只是“对不稳定喷发”+核塌缩型超新星，并不算真正的“对不稳定超新星”。但这里我还是按照其他人的说法来展开叙述。
脉冲对不稳定超新星爆发的数值模拟图。后喷发的物质层撞击此前喷发的物质层，形成高能冲击波，将机械能转化为辐射。图中浅红色“浪花”表示因碰撞而碎裂的物质块，它们与母恒星的距离为750亿千米，是地球与太阳平均距离的500倍。不同颜色表示不同的密度，红色为中心还存在的恒星，密度最高。| 来源：Heger,A.2013,Nature,494,46-47，制图：Ke-Jung Chen
这4类爆炸模式中，前两类已经被观测不断确认。但后两类却一直没有被完全确认。比如SN 2006gy，有人认为它是对不稳定超新星，但后来的观测表明它不是；有人认为它是脉冲对不稳定超新星，并预言9年后（2015年）天文学家可以在原地再次看到真正的超新星爆发，但实际上至今未观测到预言中的爆发。有人认为SN 2007bi是对不稳定超新星，但后来又有人从光谱的角度提出很强烈的质疑。2019年，Gomez等人在论文里提出：SN 2016iet可能是一颗“对不稳定超新星”或“脉冲对不稳定超新星”。但这个结论依然无法得到公认。
这次，Nicholl等人提出了两个模型来解释这个超新星。
第一个模型是：恒星先经历了一次脉冲对不稳定性，喷发出大量物质；然后恒星爆炸为核塌缩型超新星，超新星喷射物撞击之前喷发出的物质。
第二个模型是：恒星先经历了一次脉冲对不稳定性，喷发出大量物质；然后恒星爆炸为对不稳定性超新星，超新星喷射物撞击之前喷发出的物质。
这两个模型的共同点是：都经历过一次脉冲对不稳定性；超新星爆发后都与此前喷发出的物质碰撞，使亮度大幅度增加。不同点是：最后恒星爆发的模式不同。
如果作者们的模型处理得天衣无缝，那我们就可以为天文学家终于找到传说的那两类超新星中的一种而欢呼了。但是……
未解决的问题
但是，我在仔细看完作者们的那篇论文之后，发现了几个问题：
1、在使用“脉冲对不稳定超新星”模型时，如果采用合理的参数来拟合，作者们得到的紫外线辐射的理论值低于观测值。这是不合理的。作者也承认了这个缺陷。
2、如果想让紫外线的理论值与观测值吻合，得到的质量参数太大：喷射物质量大约是182个太阳质量，恒星爆发前喷发出的介质的质量约为158个太阳质量。喷射物与周围介质的总和超过300个太阳质量。单星如果具有这样大的质量，最后会直接收缩为黑洞，而不会爆炸。对于双星，总质量这么大的恒星恰好在并合后迅速抛出质量极大的物质层然后爆炸，这需要非常巧合。
3、对不稳定超新星爆发后，合成的放射性镍-56的质量可以达到几个甚至几十个太阳质量，这些镍-56衰变后释放的能量将超新星喷射物加热，使它们也可能异常明亮、异常高能。而作者在使用“对不稳定超新星+相互作用”的混合模型时，直接忽略了镍-56对亮度的贡献。这必然会使各参数产生偏差。
4、为了能够用脉冲对不稳定超新星模型解释这个动能非常大的超新星，作者假设超新星最后爆发后，核心遗留下快速转动、高度磁化的中子星——毫秒级磁星。毫秒级磁星将转动能转化为辐射，辐射会推动超新星喷射物，使其加速。但是，这样的过程也会提升亮度，而作者在拟合时没有考虑磁星能量注入对亮度的影响，这也会导致参数出现变化。
钱德拉X射线天文台于2013年观测到银河系中心超大质量黑洞附近的一次X射线爆发，它发出的X射线一度比超大质量黑洞附近的物质发出的X射线更亮。据推断，这是一颗磁星爆发出的X射线。图中颜色为伪色。|来源：NASA/CXC/INAF/F. Coti Zelati et al.NASA/CXC/INAF/F. Coti Zelati et al.
5、对于脉冲对不稳定超新星模型，作者为了解释观测到的氢线，还假设两颗恒星并合之后再发生脉冲对不稳定喷发，以确保既有足够大的氦核，又能够在恒星最终爆炸前保留恒星最外层足够多的氢。这涉及到精细调谐（fine tuning）的问题，也是一个缺陷。
总 结
综观全文，我们可以确定的是：SN 2016aps是一颗史上最高能的超新星。我们无法确定的是它的具体起源。它可以被作为对不稳定超新星或脉冲对不稳定超新星的候选之一，但模型并未能合理解释它各波段的亮度演化。也许更仔细的模拟会强化作者的想法，但也可能推翻这个想法。
事实上，作者也说：“细致的模拟将确定SN 2016aps是不是脉冲对不稳定超新星或者可能性更小的（与周围介质）相互作用的对不稳定超新星。”（Detailed simulations will confirm whether SN2016aps is a PPISN, or even the less likely case of an interacting PISN.）显然，对于这个问题，作者也认为还需要更多研究以获得更明确的结论。
可以说，SN 2016aps是对不稳定超新星或脉冲对不稳定超新星的可能性并不比SN 2016iet是对不稳定超新星或脉冲对不稳定超新星的可能性高多少，这自然降低了这篇文章的突破指数。
非凡的结论需要非凡的证据，在搜寻对不稳定超新星或者脉冲对不稳定超新星这方面，天文学家还需要更多细致的工作。也许未来终究会有超新星的性质与理论完全符合且参数合理，那时候我们就可以说：天文学家首次观测到真正的对不稳定超新星/脉冲对不稳定超新星。
不过，从观测角度看，这次天文学家确实捕获到史上最高能且没有争议的超新星。这个结论不依赖于作者采用的任何模型，只需要把“光变曲线”对时间做一个积分就可以了。仅这一点，就足以显示这个结果的突破性。
作者简介：王善钦，2018年获得南京大学天文学博士学位，2016-2018年访问加州大学伯克利分校，主要研究超新星爆发等现象，业余也研究科学史。
撰文 | 王善钦
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