大麦哲伦云超新星的始末

赵映辉

大麦哲伦云在银河系之外，是离我们最近的一个河外星系，距离50千秒差距，约合16万光年。它在天球上的投影在南天极附近，远离恒星密集的银道带，受银河系星际消光影响很小，具有比处在银河系内的天体更优越的可观测条件。这样，大麦哲伦云超新星SN1987A就成为第一个在光学、红外、紫外、射电、X射线和γ射线各个波段均有观测资料的全波段探测的超新星。超新星是罕见的天象，其诞生率和所属的星系及其质量有关。像银河系这样的巨型旋涡星系，平均每几十年就有一次超新星爆发。大麦哲伦云是一个矮星系，其质量仅及银河系的1／10。它的超新星诞生率比银河系小得多，平均每1000年出现一次。

1987年2月23日夜，设在智利的美国拉斯坎帕纳天文台的两位天文学家和新西兰奥克兰的一位天文爱好者各自独立且都是不期而遇地发现了出现在大麦哲伦云中的超新星，随即它被命名为SN1987A。次日，国际天文学联合会天文电信中央局向世界天文台站和机构发出电传和电报，通报了这一罕见天象的发现。当时，SN1987A的视亮度正从6星等上升到5星等，并继续增亮至4星等，正逐步演变成大麦哲伦云中最亮的天体。最初的分光观测确认了这个骤然增亮的爆发天体是一个富氢Ⅱ型超新星。接着，许多天文学家纷纷飞往南半球的天文台，运用一切手段对SN1987A进行了连续地跟踪观测。

对比SN1987A爆发后的观测资料和爆发前该天区的照相天图和光谱档案，科学家得知爆发前该天体是一个蓝超巨星SK－69202。爆发成为超新星之前，它的亮度为12.3星等，表面温度达16 000K，比太阳亮110 000倍，半径比太阳大40倍，质量是太阳的19倍。这一认证引起了天文界的极大兴趣和关注。因为，在此之前，现代公认的超新星爆发机制认为，Ⅱ型超新星爆发前的天体是大质量的红超巨星。然而，SN1987A事件却表明，大质量的年轻恒星还可能先在红超巨星阶段就宁静地以星风形式抛射掉氢外壳，演变成蓝超巨星，然后再爆发成Ⅱ型超新星。1988年，SN1987A爆发一年之后，人们真的观测到爆发前天体抛射到星周空间的恒星物质以环状反射回光，从而证实上述的红超巨星先演变成蓝超巨星，再爆发的推论。

按照Ⅱ型超新星的爆发理论，当一个质量大于10个太阳质量的恒星其内核的氢和氦都要燃烧殆尽时，其中心区将聚合成铁核。如果铁核的质量达到接近1.4个太阳质量时，核心区在时标为1／100秒的瞬间坍缩。坍缩核之内，在时标为1／1000秒的刹那，产生大量的中微子，总数多达1053个。中微子将坍缩形成引力能的大部分，以接近光速的高速带出恒星，射向宇宙四方，在几十秒内一哄而散，于是出现在宇宙中的是一个转瞬而逝的中微子星。这样一来，在地球表面每平方厘米的土地上，海洋和人体上均有上百亿个中微子穿过，先后历时不过几十秒。在诞生一个中微子星的同时，外部核继续坍缩，与内部核碰撞，产生激波并向外反弹，冲破外部核心，以1／10光速的速度继续向外冲，贯穿整个恒星，将恒星物质加热到几十万摄氏度，使恒星整体膨胀成为光骤增的超新星。最早记录到SN1987A开始增亮的时间是1987年2月23日世界时10时35分。在此之前的3小时，即世界时7时35分，世界上有三个高能粒子实验站分别记录到来自宇宙远方的11、8和3个中微子，前后历时12.5秒、5.5秒和10秒。这是天文学史上第一次直接检测到一个超新星爆发前一瞬间，其内核坍缩产生的中微子。

SN1987A发现后的最初几个小时，视亮度从6星等升到5星等、4星等；随后，稍微变暗；到了3月初，亮度回升；到5月18日，即爆发后第84日，亮度增至极大值，达2.9目视星等。往后，它以每月0.01星等的减光率缓慢而持续地变暗。SN1987A的光度变化可用内核抛散0.07个太阳质量的镍和钴同位素的衰变释能加以描述。在爆发两年后的光变曲线上显示出它比预期的减光率略有减缓，这反映可能还有钴、钛、钠等慢衰变元素的附加释能。SN1987A以光子形式辐射的能量为1×1029尔格。在爆发后6年之际，它的视亮度减弱到19.9星等，只有极大亮度时的六百万分之一，为爆发前蓝超巨星亮度的一千分之一。

SN1987A的光谱分析提供了抛射物质的速度和化学组成的信息。最初爆发时，光谱所反映的是最外层抛射物质的动态，速度达20 000千米／秒～40 000千米／秒。随着外层逐渐稀薄，光谱开始揭示以3000千米／秒～5000千米／秒的较慢膨胀速度的深层。SN1987A继续膨胀，原来的蓝超巨星的光球消散，演变为一片星云。到1987年11月，在光谱中已呈现来自深层的重元素镍、钴和氩的离子的发射谱线。根据十分完整的光曲线和极为丰富的光谱资料，科学家现已精确地求出SN1987A事件共爆发抛射了13个太阳质量的恒星物质，爆发动能达1×1053尔格。其理论分析观测资料和符合程度高于迄今为止的任何一项同类研究。

SN1987A爆发后的最初几周，首先在射电波段探测到与星周物质相互作用而形成的加速辐射。由于SN1987A的膨胀气壳、星周物质、大麦哲伦云的星际物质、大麦哲伦云和银河之间的星系际物质以及银河系的星际物质均具有彼此不同的相对运动速度，根据超新星的光学、紫外和红外光谱中，谱线轮廓和谱线的多普勒位移，可以探测出观测者和SN1987A之间沿视线方向各个部位星际物质的化学成分、物理状态、空间分布、运动速度等多种信息。现已查明，最靠近SN1987A的星周是爆发之前蓝超巨星流失速度为500千米／秒的低密度星风物质；再向外则是红超巨星阶段流失速度10千米／秒的低密度星风物质；高密度膨胀气壳外缘在演化成红超巨星之前，受到主序星流失的1000千米／秒高度星风的吹压，形成一个星际物质稀薄区。SN1987A爆发一年后，由于超新星光度持续减弱，在照相底片上呈现出星周的两个膨胀同心光环，它们正是超新星爆发之前由于星周物质的相互作用而出现的星际尘埃的反光回波，其内环半径是120秒差距(约合400光年)，外环半径320秒差距(约合1000光年)。到爆发后的第三年，在地面和空间中又检测到更靠近SN1987A的星际尘埃反光回波。

SN1987A爆发后第六年之际，它已由一个重元素放射性衰变而发散热能的超新星，逐渐演变成与星周物质相互作用的超新星遗迹。按照现在公认的Ⅱ型超新星的爆发理论，其内核已坍缩形成一个致密天体，它或是中子星，或是黑洞。如果是前者，它将表现为一个脉冲星。然而，在射电波段和光学波段的检视和搜索，却始终未能发现这个在理论上预期存在的致密天体，这个天文之谜尚待进一步揭晓。现代天体物理学中的恒星演化最终阶段理论、超新星爆发机制理论以及新星爆发后的演化学说都经历了一次考验，并趋于完善。