不死的恒星

赤纬

恒星并不恒久，它们都有着一定的寿命。但天文学家发现了一颗可不断死而复生的恒星，它是怎么做到的？

就像我们人类一样，恒星也有一个出生，然后经历一个生命周期，最终走进死亡。不过，恒星的寿命要长得多，从几百万年到几万亿年不等。一颗恒星的死亡方式取决于它的质量：小质量的恒星可以轻轻把自己的外层物质抛出，形成行星状星云，自己会变为一颗白矮星;大质量的恒星可以在一场被称为超新星的壮观爆炸中走向毁灭，而核心处残余的物质会坍缩成中子星或黑洞。

对于一颗普通的恒星来说，超新星是一次性的事件，标志着一颗恒星生命的终结——至少我们是这么认为的。然而最近，天文学家却发现了一颗经过多次超新星爆炸的恒星。为什么会这样？在尝试回答这个问题之前，我们首先来了解一下超新星的基础知识。

两种常见的超新星

超新星有两种常见的类型：Ia型和II型。Ia型超新星通常发生在由引力结合在一起的一对恒星中，天文学把这对恒星称之为双星系统。在这种情况下，其中一颗恒星是白矮星——一颗密度非常大且体积很小的恒星核心残骸，它的伴星既可以是一颗巨型恒星，也可能是一颗更小的白矮星。当这颗白矮星开始吞噬其伴侣的物质时，它最终将达到太阳质量的1.4倍（这被称为钱德拉塞卡极限），这会迫使白矮星进入一种不稳定的状态，从而在一种被称为Ia型超新星的奢华明亮的爆炸中死亡。

超新星并不仅仅出现在包含白矮星的双星系统中，一些质量不少于8倍太阳质量的孤立恒星也会发生这种情况。恒星由核聚变产生能量，与太阳不同的是，大质量的恒星能够合成原子量比氢和氦更重的元素。

当这些恒星到达生命的终点时，为恒星核心提供能量的氢首先被消耗掉，然后恒星开始以氦为燃料，并聚变出更重的元素。氦消耗完后，恒星随后将消耗其他重元素，从碳、氧、氖、镁，再到硅，直到铁出现在核心中。然而，铁的核聚变会吸收能量，这样核心处就不能产生能量来支撑恒星，最终在自身质量下坍塌。这导致了恒星的内爆，外围的物质会被反弹，从而变为一场剧烈的爆炸。这种爆炸被称为II型超新星。

由于超新星爆炸释放出的能量极大，也产生了比恒星所能产生的更高的温度，如此高温的环境适合许多重元素的合成。所以，超新星爆发的过程中会合成很多重元素，包括比铁重的元素。事实上，宇宙中有半数左右的比铁重的元素都是超新星爆发带来的。

超新星爆发会将恒星大部分物质抛散到周围的太空，抛出的物质在向外膨胀的过程中会与星际介質（恒星间弥漫的气体和尘埃）相互作用而形成一种云状结构，这就是超新星遗迹。

如何区分超新星的类型

在肉眼看来，这两种类型的超新星是无法分辨的，因为它们只不过是壮观的爆炸，将气体和尘埃分散到周围的太空。然而，天文学家已经找到区分它们的办法，一个办法就是分析超新星的光谱。

光谱可以显示了光在不同波长范围内的强度。当一种元素存在于气体和尘埃中时，它会吸收特定波长的能量，天文学家可以通过研究它在光谱中留下的痕迹来识别它。分析光谱时，区分这两种超新星的过程，实际上只是一个简单的问题：是否存在氢吸收谱线？如果答案是肯定的，那么就是II型超新星。如果答案是否定的，那么就是Ia型超新星。

超新星爆发后，其亮度也会随着时间的推移逐渐减弱。通过观测亮度的变化，天文学家也能区分这两种超新星。超新星爆发后，天文学家会利用天文望远镜记录超新星的亮度在一段时间内是如何变化的。他们通常会以横轴为时间，纵轴为亮度作图，绘制出超新星亮度随时间变化的曲线，简称为光曲线。光曲线的形状，能帮助天文学家确定发生的超新星是什么类型的。

如果你观察Ia型超新星的光曲线，最明显的特征是亮度的急剧增加，达到50亿倍我们太阳的光度，然后逐渐下降。而II型超新星的初始亮度也有类似的急剧增长，但爆炸后往往会有一段时间没有亮度变化，随后它会在大约100天里逐渐变暗。

一颗怪异的超新星

2013年2月，美国加州理工学院等多个研究机构开展了“中级帕洛马瞬变工厂”（iPTF）天文学项目，内容是利用美国加州圣地亚哥帕洛玛天文台来在夜空中搜寻超新星及其他光学瞬间变化的天文学现象。该项目在发现超新星方面非常成功，天文学家每晚都能发现大约10颗超新星。由于观测到的数量太多了，这让天文学家忙不过来了，他们不得不选择放弃一些看似没什么意思的观测对象。

在2014年9月，该项目发现了一颗最初没有引起多大反应的超新星。它被命名为iPTF14hls，位于大熊星座上，距离地球大约有10亿光年。根据其光谱和光曲线，它最初被归类为II型超新星。由于当它被发现的时候，它的亮度正在逐渐衰弱，所以天文学家认为它只是一颗经过了它的峰值亮度的超新星，打算放弃研究它。然而在接下来的几个月里，天文学家突然发现iPTF14hls又开始变亮了。这绝对是一件不寻常的事情，因为通常的超新星一旦暗下去之后，就再也不会变亮起来。

这颗名为iPTF14hls的“不死之星”迅速成为了超新星中的一朵奇葩。在接下来的600天里，天文学家发现，它的光曲线出现了惊人的5个峰值，也就是说这颗超新星变暗再变亮，至少反复了5次。

当天文学家决定查看过去的观测档案时，事情变得更加惊人。记录表明，在1954年的同一地点也发生过一次超新星爆发。多数天文学家认为，它极有可能是同一颗恒星产生的。这就意味着，这颗恒星经过60多年的不断的超新星爆发，每次都奇迹般地存活了下来。

一颗恒星要实现这么多次的超新星爆发，它必须有足够多的质量，因为每次都会抛出大量的气体。天文学家估计，这颗恒星的质量至少是太阳质量的100倍。

那么，这颗超新星究竟如何“起死回生”的呢？科学家感到很困惑。因为iPTF14hls打破了当前所有描述超新星行为的理论模型，天文学家想对这颗超新星给出一种全新的解释，然而不幸的是，天文学家无法给出一个合理的解释。

不是多次超新星爆发？

然而，仍有一些理论，看似可以很好地解释这些难以捉摸的现象。美国加州大学圣克鲁斯分校的天文学家斯坦·伍斯利就有一个不错的理论。他认为，多个光曲线的峰值的出现，不是多次超新星爆发引起的，而是超新星爆发时抛出的物质撞上周围多层的物质外壳引起的。爆炸前的那颗恒星，因为质量太大，其外层大气的很多物质曾被产生的恒星风多次吹走，吹走后的恒星物质冷却后，在周围形成了围绕这颗恒星的多层外壳。超新星爆发时，恒星物质以每秒数千千米的速度向四面八方飞散，形成冲击波，并最终会撞向周围那些移动缓慢的多层物质外壳。每一次碰撞会产生强烈的光，穿过10亿光年的太空，最终被地球上的天文望远镜所捕获。

然而，尽管伍斯利的理论解释了iPTF14hls光曲线的形状，但如果通过光谱来分析的话，这一理论是有问题的。乍一看，这颗恒星发出的光的光谱与II型超新星类似，即有明显的氢吸收谱线。但与上面的理论相矛盾的是，没有迹象表明有碰撞出现。通常来说，如果有物质挡住了冲击波的去路，那么在光谱中就应该留下相应的迹象。

在这颗不死的恒星的消息登上各大新闻头条之后，许多天文学家也加入了破解该谜团的行列，但目前还没重大的研究进展。但对于天文学家来说，继续对iPTF14hls进行观测是一件比解释它更为重要的事情。

这颗超新星还在发光。随着爆炸产生的物质不断膨胀，人们更容易看清它的内部。同时，它现在也正在变暗，所以天文学家希望能够在信号变得太弱之前，从爆炸的内部得到一些新的线索。所以，一场与时间赛跑的任务开始了。天文学家已经利用美国夏威夷的凯克天文台收集了新的光谱数据。他们还计划使用哈勃太空望远镜，利用其难以置信的高分辨率来收集数据。也许借助更多的数据，天文学家会在不久的将来解开这颗恒星不死的秘密。