天关东南客星出 ——欢迎加入公众超新星搜寻项目(一)

作者:赵经远

写于2018年2月3日~3月2日,后续有数据更新。

摘要新星是一类激变变星,亮度在几天或几星期内上升至极大,然后缓慢下降,经几月或几年回复到原先的状态。超新星是一类灾变变星,是宇宙中最剧烈的天体活动现象之一,爆发时星体的全部或大部分物质被炸散,最大亮度几乎相当于整个星系的亮度。研究新星及超新星对于了解天体演化有很大帮助。公众超新星搜寻项目是由星明天文台和中国虚拟天文台合作开展的面向普通大众的宇宙新天体搜寻项目之一,利用位于星明天文台的一架星特朗C14望远镜让大家通过虚拟天文台这个平台在茫茫星海中寻找超新星和新星。截止2018年3月11日,此项目已发现获得光谱认证的12颗超新星和4颗河外新星。本文作者也已通过公众超新星搜寻项目发现2颗超新星、1颗河外新星、2次因发现新星再次增亮现象而发表ATel公报。

关键词:新星  超新星  虚拟天文台  星明天文台  搜寻  发现

 

新星与超新星

仰望星空,漫天星斗布满苍穹。在诗人的眼里,“新月娟娟,夜寒江静山衔斗”,它是那么静谧;在艺术家的眼里,它是圣雷米的星夜;而在天文学家的眼里,它是由无数随着时间流逝而不断演化的的天体所组成的集合体。

星空并非永恒,布满天幕的恒星,正如人一样,有着不同的年龄、质量、组成……其中影响最大的就是质量,不同质量的恒星有着不同的演化过程。0~8倍太阳质量的恒星,晚年外壳向外膨胀,核心向内塌缩,最后会形成中心是白矮星的行星状星云;大于8倍太阳质量的恒星,在生命晚期会产生回光返照式的超新星爆炸,最后形成中子星或黑洞。

图1.1 恒星演化与质量的关系(图片来源于网络)

 

超新星是目前已知最剧烈的天体活动现象之一,它的爆发过程在不到1秒内完成,爆炸所释放的能量几乎等于太阳一生所释放的能量。在介绍超新星之前,我们先来认识下新星。

 新星(Nova),又叫经典新星(Classical nova)。什么是新星呢?有的人可能会说:“新星,顾名思义,不就是新诞生的星星嘛!”事实上,虽然名字叫新星,但它可不是一颗新诞生的天体,恰恰相反,这是一颗年老的恒星。新星一般发生在双星系统中,主星是白矮星。白矮星是类似太阳的较小质量恒星死亡后的遗迹,其体积较小,密度较大,每立方厘米白矮星上的物质质量在0.1~100吨之间。白矮星因密度很大,引力也非常强,所以双星系统中的伴星和这颗白矮星相互之间距离比较近时,白矮星就会吸取伴星上的物质(主要成分是氢),这些物质会在白矮星外层形成一层薄薄的大气。这层大气会被白矮星加热,当温度达到足以进行氢的核聚变反应时,就会在白矮星表面引起核爆炸,抛射出少量物质,使白矮星的亮度增加几千乃至几万倍,于是原本看不见的恒星就有可能被我们看见。新星的亮度在几天或几星期内上升至极大,然后缓慢下降,几个月或几年回复到先前状态,光变幅度大都在7~16星等之间,其最亮时的绝对星等大约为-8等,。

我国古代把新星当成“客星”的一种。客者,陌生的客人也,我国古代把新星、超新星、彗星等天象都称为客星,因为这些天体如客人般来临又离去一样。公元前134年,我国西汉的史官记录下了星空的一些异象:“元光元年六月,客星见于房”,他看到了什么呢?翻阅外国的史书,也发现了这一天象的记录。现在一般认为这是中外史书均有记录的第一颗新星,这颗新星位于房宿(二十八宿之一,现今天蝎座的一部分)。从公元前134年到公元17世纪末,中国古代史书中一共记录下了约90颗新星,它们都是非常珍贵的科学遗产。随着望远镜的威力越来越大,现在每年一般都会在银河系中发现几颗新星。

图1.2 《汉书·天文志》书影

 

河外星系由于距离遥远,新星极为黯淡,所以在古代典籍中没有对河外新星的记录。世界上第一颗河外新星是1909年9月在M31仙女座星系中发现的(M31N 1909-09a),目前每年一般可以在M31中发现一二十颗新星。由于技术限制,现今只能发现距离银河系比较近的星系的新星,比如M31、M81、M33等星系中爆发的新星。以2017年为例,全世界一共上报了70颗河外新星候选体,其中44颗位于仙女座星系,21颗位于M81,1颗位于M33,4颗位于其他星系。70个新星候选体中,获得光谱确认的仅有29个。

 在古代,人们只要看到天上新出现的星,就把这颗星称为新星。1885年,天文学家在M31(当时还认为M31是位于银河系中的“星云”)中发现一颗“新星”,其最亮时的视星等为5.8星等,几乎相当于整个M31的亮度。1924年,美国天文学家埃德温·哈勃证明M31其实是位于银河系以外的星系,这时人们意识到1885年爆发的“M31新星”其实比原先想象的远得多,所以其释放的能量更多,光度也就更亮,于是重新审视了这颗“新星”。随后,有人造了超-新星(super-nova)这个词来描述这类天体,再后来去掉了中间的横杠,就成了超新星(supernova),沿用至今。而这颗M31超新星也成为了人类历史上发现的第一颗银河系以外的超新星,它也是M31中至今发现的唯一一颗超新星,编号SN 1885A,也称为仙女座S超新星。1924年以后,天文学家又证认了至少6个以前被认为是新星的,其实是超新星,这些超新星都位于银河系内,在我国古籍中均有记载,详细介绍请参见附录。自从1604年开普勒超新星以后,银河系内已经400多年没有观测到超新星爆发了,400年来最为明亮也是距离最近的超新星是1987年在大麦哲伦星系中爆发的SN 1987A。

图1.3 美国天文学家埃德温·哈勃(图片来源于网络)

 

那么,超新星是怎么产生的呢?之前讲的双星系统中,如果白矮星从伴星上吸取的物质过多,会发生什么现象呢?更猛烈的爆炸?没错,如果吸取的物质使白矮星的质量超过了1.44倍太阳质量,也就是所谓的钱德拉塞卡极限,那么电子简并压力将输给引力,使碳元素可以进行融合反应,并使碳融合能量在1秒内将整个白矮星点燃,于是白矮星作为超级核武器在太空中爆炸了,其威力如何?设想一颗比太阳更重的氢弹吧。白矮星的全部物质因此被炸散,产生的能量狂飙天庭,亮度增加几千万倍,几乎相当于整个星系的亮度,这就是Ia型超新星,又叫热核爆炸型超新星。Ia型超新星最亮时绝对星等差不多总为-19.5等,这点已为实际观测与理论推算所证实,而其视星等可由观测得出,再通过距离模数(m-M=5lgD-5)便可计算出超新星所在的遥远星系或星系团的距离,因此Ia型超新星可用作测量距离的“标准烛光”。宇宙加速膨胀和暗能量的存在就是用Ia型超新星得出的光度距离和用哈勃红移定律得出的宇宙学距离比较而提出的。

图1.4 印度裔美籍天文学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(图片来源于网络)

 

对于大于8倍太阳质量的恒星,因核心引力过大,会在核心未达到电子简并效应就持续不断的点燃核心内物质,将核心内的氢聚变为氦,氦继续转变为其他元素,直到最后生成铁。由于铁的核融合反应为吸热反应,所以无法形成更重的元素。这个时候已经没有其他东西能阻挡恒星的引力了,于是恒星开始坍塌,产生猛烈的爆炸,但其剧烈程度不及Ia型超新星,这便是Ia型超新星之外大部分超新星的成因,这类超新星也称为核坍缩型超新星。

图1.5 不同类型超新星的大致光变曲线(图片来源于网络)

 

超新星分类依据的是超新星的光谱和光变曲线。首先根据有无氢线分为I型超新星和II型超新星:I型超新星无氢线,II型超新星有氢线。

  I型超新星又有以下子分类(每个子分类后面的中括号“[]”中的数字表示该子类在2017年的发现数量):

  • Ia型超新星:有Si特征谱线[653];
  • Ib型超新星:没有Si特征谱线,有较强的He特征谱线[24];
  • Ic型超新星:没有Si特征谱线,有较弱或者没有He谱线[31];
  • I-pec型超新星:不符合I型超新星上述子分类[64]。

II型超新星也有以下子分类(每个子分类后面的中括号“[]”中的数字表示该子类在2017年的发现数量):

  • IIb型超新星:随着时间发展演变出较强He特征谱线[18];
  • IIn型超新星:在光度下降过程中仍然显示出较强H特征谱线,谱线相对较窄(II型超新星谱线大都非常宽泛)[30];
  • II-P型超新星:在光度下降过程中仍然显示出较强H特征谱线,光变曲线中有一段平坦的高原形状[31];
  • II-L型超新星:在光度下降过程中仍然显示出较强H特征谱线,在达到最亮之后的光变曲线呈现出线性下降[0];
  • II-pec型超新星:不符合II型超新星上述子分类[3]。

 图1.6 超新星分类(图片来源于《台湾超新星巡天》)

 

由以上统计可知,Ia型超新星的发现数量远远多于其他类型的超新星。此外,虽然每年上报的超新星候选体很多,但是获得光谱认证的却很少,2017年一共上报了7122个超新星候选体,获得光谱认证为超新星的的仅有925个。


 附录一、1885年之前的6颗超新星记载 

1、185年超新星(SN 185):“后汉中平二年十月癸亥,客星出南门中,大如半筵,五色喜怒,稍小,至后年六月消”(《后汉书·天文志》),公元185年12月7日,在南门星官(现今半人马座的一部分)中出现一颗客星,它有半个坐垫那么大,五色,且闪烁不定。天文学家意识到这是一次超新星爆发,这是人类历史上记录的第一颗超新星。2006年利用在绕地球轨道运行的钱德拉X射线天文台证认了一个超热气体云,它便是两千年前这次超新星爆发的遗迹。

附图1 《后汉书·天文志》书影(图片来源:广东天文学会陈欣欣)

 

2、周伯星(SN 1006):“宋真宗景德三年四月戊寅,周伯星见,出氐南、骑官西一度,状如半月,有芒角,煌煌然可以鉴物。历库楼东,八月随天轮入浊,十一月复见在氐。自是常以十一月辰见东方,八月西南入浊”(《宋史·天文志》),这是1006年5月6日在豺狼座爆发的一颗超新星,编号SN 1006,它非常明亮,最亮的时候视星等达到-9等,在它的光芒下甚至可以看清地面上的事物。这次爆发所留下的是一个射电源,仍为现代天文学家所关注。

 

附图2 SN 1006遗迹(图片来源:APOD)

 

3、天关客星(SN 1054):“宋至和元年五月己丑,客星出天关东南可数寸,岁余稍没”(《宋史·天文志》)、“宋嘉佑元年三月辛未,司天监言:‘自至和元年五月客星出东南方,守天关,至是末’”(《宋史·仁宗本纪》)。这颗超新星在《宋会要》中有更详细的记载:“嘉佑元年三月,司天监言:‘客星没,客去之兆也。’初,至和元年五月,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日”,1054年7月4日,司天监报告了一个惊人的景象:天关星(金牛座ζ)东南方一颗星星异常明亮,以至于23天都可以在白天看到。这便是历史上最著名的超新星爆发——天关客星(SN 1054)。后来在这个位置上发现了蟹状星云(M1),在这个云卷雾绕的超新星遗迹中心,有一颗高速自转的爆炸遗留物,即蟹状星云脉冲星。

附图3 SN 1054遗迹——蟹状星云。这幅21世纪初拍摄的图像综合了整个电磁波谱中多个波段的影像数据,来自钱德拉X射线天文台(X射线)、XMM-牛顿望远镜(紫外)、哈勃空间望远镜(可见光)和斯皮策太空望远镜(红外)的观测数据分别用紫色、蓝色、绿色和黄色来表示,来自地面上的甚大阵VLA射电波段数据用红色来表示。(图片来源:APOD)

 

4、1181年超新星(SN 1181):“宋淳熙八年六月已巳,客星出奎宿,犯传舍星,至明年正月癸酉,凡一百八十五日始灭”(《宋史·天文志》),这颗爆发于1181年8月6日的超新星被南宋和金代天文学家观测并记录下来,日本古籍中也有相应的记载。据中、日两国古代记录,此客星出奎宿,守传舍第五星,亮如土星,可见期一百八十天以上。这颗超新星的遗迹可能为射电源3C58。

 附图4 射电源3C58(图片来源:WWT)

 

5、第谷超新星(SN 1572):“隆庆六年十月初三日丙辰(1572 年11 月8 日),客星见东北方,如弹丸,出隔道旁,壁宿度,渐微茫,有光,历十九日。壬申夜,其星赤黄色,大如盏,光芒四出……十月以来客星当日而见,光暎异常。按是星万历元年二月光始渐微,至二年四月乃末”(《明实录》)。在西方,丹麦著名天文学家第谷·布拉赫也注意到了这颗明亮的星星:“今天(1572 年11 月11 日)我发现了一颗不寻常的星,它的光如此耀眼,几乎就在我的头顶上发光,它使其他星都黯然失色……我的知识告诉我,这个天区中以前没有什么亮星存在,更不用说像现在这样明亮的星星了。”虽然中国比第谷早3天发现这颗超新星,但是今天,这颗超新星被称为第谷超新星(SN 1572),因为第谷对它作了极其细致的观测和测量。其遗迹为射电源仙后座B,现在仍然吸引了众多天文学家的目光。 

附图5 第谷超新星遗迹。这张图像包含了钱德拉X射线天文台的 X射线影像、斯皮策太空望远镜的红外影像、以及西班牙南部3.5米直径的Calar Alto望远镜拍摄的可见光影像。(图片来源:APOD)

 

6、开普勒超新星(SN 1604):“万历三十二年九月乙丑,夜,西南方生异星,大如弹,体赤黄色,名曰客星。十二月辛酉,夜,客星随天转见东南方,大如弹片,黄色,光芒微小,在尾宿。三十三年八月丁卯夜,客星不见。自三十二年九月客星见尾分,一更时出西南方,随天西转。至十月夕伏不见。十一月五更时出东南方。今年二月,其光渐暗,至是乃灭”(《明实录》),这是目前有记录的最后一颗银河系超新星,爆发于1604年10月10日。德国著名天文学家、第谷的学生与助手约翰内斯·开普勒从1604~1606年间对这颗超新星进行了持续的观测与研究,因此这颗超新星被称为开普勒超新星(SN 1604)。其遗迹位于蛇夫座,是一个十分重要的射电源。

附图6 开普勒超新星遗迹。这是由钱德拉X射线天文台拍摄的X射线波段的图像。(图片来源:APOD)


参考资料

文献

1、陈英同,台湾超新星巡天,台湾国立中央大学天文研究所硕士论文,2006.

2、席泽宗,古新星新表与科学史探索,陕西师范大学出版社,2002.

3、希瑟·库珀、奈杰尔·享贝斯特著,萧耐园译,图解天文学史,湖南科学技术出版社,2010.

4、陈遵妫,中国天文学史第三册第四编,上海人民出版社,1984.

5、何香涛,蟹状星云和她的明珠,湖南科学技术出版社,2005.

网站

1、天文学名词:http://astrodict.china-vo.org/

2、Bright Supernova:http://www.rochesterastronomy.org/snimages/

 

(未完待续)


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