给宇宙标准烛光“画像”打造超新星比较研究标尺

NASA我们发布了该超新星长达140余天、涵盖光学和红外共8个波段的测光数据以及14条红外光谱,为此类超新星的研究提供了目前最完备的光变曲线模板和光谱模板。 王灵芝 中国科学院南美天文研究中心、国家天文台中智天文联合研究中心助理研究员 黑夜中的一盏烛光,如果近在咫尺,看起来会亮一些;如果距离较远,看起来则暗一些...《给宇宙标准烛光“画像”打造超新星比较研究标尺

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我们发布了该超新星长达140余天、涵盖光学和红外共8个波段的测光数据以及14条红外光谱,为此类超新星的研究提供了目前最完备的光变曲线模板和光谱模板。

王灵芝

中国科学院南美天文研究中心、国家天文台中智天文联合研究中心助理研究员

黑夜中的一盏烛光,如果近在咫尺,看起来会亮一些;如果距离较远,看起来则暗一些。烛光本身的亮度其实没有变化,只是距离远近造成了明暗之别。

在浩瀚宇宙中,Ⅰa型超新星就扮演着宇宙标准烛光的角色,它以恒定峰值亮度的特征发挥着宇宙距离指示器的作用。Ⅰa型超新星对于探索宇宙的重要性不言而喻。然而,此前一直缺乏同一超新星光学红外多波段、长时间的观测数据,学者们苦于没有完备的超新星对比“标尺”。

1月8日,据国外媒体报道,中国科学院南美天文研究中心、国家天文台中智天文联合研究中心助理研究员王灵芝博士带领国际合作团队,获得了迄今为止单个超新星的最完备光变曲线模板和光谱模板,为超新星的后续研究提供了重要参照和依据。相关成果已刊发在《天体物理学报》上。

8个波段140余天密集监测 翔实描绘一颗Ⅰa型超新星真容

一些恒星临近生命终结的时候,会发生剧烈爆炸,成为一颗超新星。它们爆炸产生的光亮往往能够照亮其所在的整个星系,仿佛以这种极其壮烈的方式向整个宇宙告别。

超新星有很多类别。通常,人们将白矮星吸积其伴星物质达到临界质量后产生的剧烈热核爆炸所形成的超新星归类为Ⅰa型超新星,这类超新星爆炸产生的峰值光度一般认为是常数,是一类极为重要的天体距离指示器。

2017年3月10日,Ⅰa型超新星SN2017cbv被发现。它处于银河系的临近星系,距离地球较近,所以很亮,容易获得较为完善的数据,很快便成为一个非常热门的研究对象。王灵芝团队与很多科学家一样,将目光投向了这位“新邻居”。

“这颗超新星处于南天位置,而我们中心得益于智利望远镜的观测位置优势,及时获得了这颗超新星的大量数据。”王灵芝在接受科技日报记者采访时表示,“我们发布了该超新星长达140余天、涵盖光学和红外共8个波段的测光数据以及14条红外光谱,为此类超新星的研究提供了目前最完备的光变曲线模板和光谱模板。”

在天文学中,光变曲线是表示天体亮度随着时间变化的曲线,光谱则是某一时刻望远镜接收到的不同能量光子的分布图。

王灵芝打了个比方:绘制超新星某一波段的光变曲线,就像是给超新星录像,能直观地看到超新星爆炸后这一波段光子的演变历程,总体表现为超新星亮度迅速增加,然后逐渐暗淡下来;绘制红外光谱,就像是给这颗超新星“测体温”和“验血”,研究它的温度和各类元素的含量。

双管齐下,这颗超新星的真容便较为完善地展现在人们眼前了。

值得一提的是,以往超新星观测主要在光学波段开展,长时标的红外监测数据,尤其是极早期的数据非常珍贵。

此次观测的8个波段中就有4个红外波段的数据。研究人员从该超新星被发现后1天(爆炸后2天,即2017年3月11日)就开始观测它了。

超新星爆炸后亮度达到峰值的时刻被称为光极大。从光极大之前16天,到光极大之后125天,总共140余天的长时间观测数据几乎见证了这颗超新星从璀璨到消亡的整个生命历程。

建立数据参照物 超新星研究可“从一而终”

文章合著者、美国德州农工大学物理天文系教授尼古拉斯·桑采夫对这项成果评价道,该研究获得的光变曲线将会作为Ⅰa型超新星的最好例子。

王灵芝告诉记者:“我们在8个波段开展了超新星极早期到极晚期的长期监测,提供了一个较为连续、完整的数据,为今后开展超新星的比较研究提供了一个‘标尺’。”她指出,该研究广受关注的一个重要原因,正是这个“标尺”作用。

与大多数天文学研究类似,学者对某颗新发现的超新星观测时也往往热衷于将其与更早发现的超新星作比对。然而,在超新星的“圈子”中,并没有一个超新星的研究数据可以作为完整的“参照物”。这意味着可能需要多颗超新星作为比较对象。

举个例子,如果研究超新星A的某一波段光变曲线,可以和该波段以往研究数据较多的超新星B做比较,但如果要研究A的其他波段,也许B的数据就不足了,这时候还要引入另一个超新星C。比较对象增多不仅增加了研究人员的工作量,也给研究的科学性、严谨性带来了挑战。

王灵芝团队此次的研究成果结合此前多个国际团队对SN2017cbv超新星的研究数据,很可能为这颗超新星贴上“标尺”的标签,从此其他科研人员对超新星进行比较研究时便可“从一而终”。

光学与红外波段相结合 首次探索消光矫正新方式

2011年,诺贝尔物理学奖花落超新星研究领域。科学家利用超新星测距得出了宇宙正加速膨胀的结论。目前超新星距离测量中面临的主要问题之一,是超新星宿主星系消光。

超新星爆炸后辐射的光子会穿过超新星所在的宿主星系,经历漫长而神秘的星际旅途,撞进银河系的怀抱,才最终被地球上的望远镜捕获。其间,光子可能会与各种各样的星际物质碰撞,损失能量,即出现消光现象。换言之,我们观测到的光子并非原始的模样,要复原它,就需要进行科学的消光矫正。

“我们在国际上首次探索了光学和红外波段的颜色(两个波段的亮度差)—星等(一个波段的亮度)图研究,由于红外波段受消光影响更小,光学波段的消光可通过该颜色—星等图准确测量,从而提供一种新的消光矫正方式。”王灵芝解释,颜色—星等图,可以用来测定超新星所在宿主星系的消光和距离,是超新星领域中一种重要的研究手段。

此外,别看超新星是个热门研究天体,其实超新星的很多性质和演变机制等都是未解之谜,爆炸机制就是其中之一。

令王灵芝惊讶的是,团队通过分析发现光极大之后的数据与目前学界主流的一种爆炸模型较为吻合,但光极大之前的数据却不同于任何一种现有主流模型。这意味着,该团队获得的超新星早期数据对目前现存的爆炸模型提出了挑战。

此次研究还有一个出乎意料的发现。超新星的前身星研究一直是重点领域,有单简并系统和双简并系统两种类型,二者区别主要在于伴星的类型。双简并系统是指超新星前身星的主星和伴星都是白矮星,二者相互绕转最终并合,成为超新星;而单简并系统是指主星为白矮星,伴星非白矮星,主星吸积伴星物质,最终爆炸成超新星。

按照此前早期对SN2017cbv超新星的观测数据,该超新星的前身星更倾向于单简并系统,如果超新星的伴星有氢的话,模型预测在光极大之后的1—2个月内,应该能够明显探测到氢的红外谱线。“奇怪的是,我们从红外数据中,并没有探测到这条谱线。当然,受限于本研究的边界条件,也不能排除SN2017cbv是单简并系统的可能性。”王灵芝表示。

这种未知的探索让王灵芝十分感慨。“上学的时候总想把一个东西搞得明明白白,是黑即黑,是白即白;到了做科研的时候才发现,天文学是彩色的,有无数未知的可能性。当然,这也是它令我着迷之所在。”她说。

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