破解840年前超新星爆发之谜

　　帕克星及周围星云Pa30的伪彩色图像。图a的数据来自美国国家航空航天局的广域红外巡天探测器(WISE)，图b的数据来自WISE和欧洲空间局的XMM-牛顿卫星，图c的数据来自美国基特峰国家天文台2.1米望远镜。图c中的45角秒(arcsec)对应于约10万天文单位(AU)。 （香港大学/图）
　　2021年9月15日，一个由来自中国香港、匈牙利、英国、西班牙、法国等国家和地区的研究机构组成的国际团队在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Jounal Letters）上发表论文，公布了他们对超新星爆发事件SN1181的最新研究成果。他们在论文中表示，一颗名为帕克星（Parker＂sstar）的天体以及围绕它的星云Pa30很有可能是SN1181的遗迹。
　　超新星爆发是宇宙中最剧烈的现象之一，爆发时能够照亮所在的整个星系，而且这种亮度持续一段时间后才会逐渐衰减，在此期间超新星释放的能量堪比太阳在整个生命周期内释放的能量。超新星爆发涉及宇宙中极端的物理条件，是恒星生命的终点，为天文学家研究恒星演化、星系演化等内容提供了重要的线索，因此是天文学研究中的热点。
　　史籍记载
　　虽然超新星是现代天文学中的概念，但是人类观察、记录超新星却有超过2000年的历史，在阿拉伯、中国、日本、欧洲等地的天文记录中都能找到超新星的身影。我国古代将突然出现的星星称作＂客星＂，除了一些彗星、流星外，其中就包括超新星。我国古代有持续且丰富的天文记录，这些文献为一些现代天文学研究提供了重要的参考和依据，比如这次对SN1181的研究。
　　在距今840年的公元1181年，中国和日本的观测者记录到一次超新星爆发，这次爆发在现代天文学中的编号是SN1181。《宋史·天文志》记载：＂淳熙八年六月己巳（1181年8月6日）客星出奎宿，犯传舍星，至明年正月癸酉（1182年2月日），凡一百八十五日始灭。＂日本史籍《吾妻镜》记载：＂治承五年六月二十五日庚午（1181年8月7日），戌刻客星见艮方，（大如）镇星（即土星），色青赤，有芒角。＂从这些记录中我们可以了解，从1181年8月6日至1182年2月6日，超新星可见时间持续了185天，在这期间亮度可与土星的亮度相比。
　　对于这次超新星爆发，宋代的《文献通考·象纬考》还提到＂客星守传舍第五星＂，其中＂守＂表示在某处停留不动，即客星位于中国古代的星座传舍的第五星附近，这对后世确定超新星及遗迹的位置有重要的参考价值。综合古代的记录可知，这颗客星位于传舍和华盖两个星座之间，即现代天文学中的仙后座附近。
　　确认遗迹
　　这次840年前的超新星爆发，除了在史籍中留下了痕迹，也吸引了现代天文学家的关注。历史上，天文学家在银河系中只记录到9次超新星爆炸，其中有5次确认了超新星爆发的遗迹。例如，公元1054年发生的超新星爆发事件在我国古代文献中被称为＂天关客星＂，天文学家已经确认蟹状星云是这次爆发的遗迹。而对于另外4次超新星爆发，天文学家还没有确定爆发的遗迹。
　　超新星遗迹对于识别超新星的类型至关重要，不同的超新星类型对应于不同的超新星形成机制。因此，除了详细研究已经确定对应遗迹的超新星外，天文学家也在持续研究尚未确认遗迹的超新星爆发事件。
　　在4次尚未确定遗迹的银河系内的超新星爆发中，SN1181是公元1006年以来唯一不确定对应遗迹的超新星爆发事件。此前，天文学家曾经认为编号为3C58的脉冲星风星云是SN1181的遗迹。这个编号中的3C代表的是出版于1959年的剑桥射电源目录第三版（Third Cambridge Catalogue of Radio Sources），58代表的是这个天体在目录中的序号是58。
　　但是，一些天文学家现在强烈质疑二者之间的对应关系，他们的依据是这个遗迹存在的时间与SN1181不符。根据超过20年的射电观测的数据，天文学家认为3C58的膨胀年龄为7000年，而星云中心脉冲星自旋减慢的时间也有5400年，这与SN1181的爆发时间显然存在非常巨大的差距。因此，他们认为基本可以排除3C58是SN1181遗迹的可能性。
　　这篇论文中出现的这颗名为帕克星的奇异天体也被称作柏坤霆星，因为这篇论文的通讯作者、香港大学太空实验室总监QuentinA.Parker教授的中文名是柏坤霆，他领导的研究团队在2017年发现了这个天体。2013年8月25日，一个叫作＂深空猎手＂（Deep Sky Hunters)的业余天文学家组织的成员戴纳·帕特奇克(Dnan Patchick)使用美国国家航空航天局的广域红外巡天探测器（WISE）的数据发现了星云Pa30。这个星云距离地球大约7500光年，位于仙后座。
　　帕克星及星云
　　这个团队对Pa30进行的光谱学研究表明，星云发出的快速激波的速度最高可以达到约1100千米/秒，根据这个速度可以反推出星云开始发生膨胀的年份。他们由此可以估算出在大约1000年前发生过一次爆发事件，这与发生在公元1181年的超新星爆发在时间上基本吻合。同时，帕克星和Pa30在天空中的位置也与中国和日本的古代文献中对SN1181的记录基本一致，误差在3.5度以内，这在允许的误差范围之内。
　　帕克星此前被认为是两颗白矮星合并的结果，这个过程会形成一种非常罕见的Iax型超新星。根据历史记录的超新星爆发的亮度和现代测量的星云距离，研究团队认为这次爆发事件要比典型的超新星爆发事件暗淡，而这也符合天文学家所了解的Iax型超新星的特点。香港大学博士后研究员、这篇论文的第一作者安德里亚斯·里特尔（AndreasRitter）在香港大学官网上表示，综合年份、位置、超新星的亮度和6个月的能见度记录等因素，帕克星及周围的星云Pa30确实是超新星SN1181的遗迹。
　　Iax型超新星是一类比较罕见的超新星，目前观测到的Iax型超新星只占观测到的所有超新星的大约10%。这颗Iax型超新星是天文学家在银河系内发现的第一颗此种类型的超新星（到目前为止在银河系内也只发现了2颗），也是目前为止唯一有可能对遗迹恒星和周围星云进行详细研究的Iax型超新星，它对Iax型超新星是由两颗白矮星合并而来的理论提供了有力的观测支持。论文作者之一、英国曼彻斯特大学天体物理学教授阿尔伯特·齐尔斯塔（AlbertZijlstra）就在曼彻斯特大学官网上表示，只有在这样的事件中，我们才能同时研究遗迹星云以及合并之后的恒星，同时还能够描述超新星爆发本身。
　　帕克星是一颗沃尔夫-拉叶星，这是一种罕见的奇异恒星，这种恒星的光谱中会出现特强且宽的电离氦、碳、氧或电离氦、氮等发射线并且氢线不见或特弱，温度超过几乎其他所有种类的恒星。帕克星的表面温度超过20万 ，是已知最热的沃尔夫-拉叶星。
　　同时，帕克星是已知仅有的一颗既不是来自大质量前身星也不是来自行星状星云中心恒星的沃尔夫-拉叶星，而是两颗白矮星合并再加上Iax型超新星爆发的结果。这颗恒星本身极端而特殊的性质以及与超新星爆发SN1181的联系赋予这次的发现以重要的科学意义和历史意义。
　　蟹状星云是现代天文学中第一个被证认的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹，天文学家此前已经对蟹状星云进行了非常详细的观测研究，并取得一系列重要成果。这次由香港大学领衔的研究不仅为破解840年前的超新星爆发谜团作出了贡献，在SN1181和爆发遗迹之间建立了紧密的联系，同时也为天文学家在未来对SN1181和奇异恒星的研究奠定了坚实的基础，有望取得如蟹状星云一样的丰硕研究成果。
　　南方周末特约撰稿 鞠强