大麥哲倫云超新星的始末

趙映輝

大麥哲倫云在銀河系之外，是離我們最近的一個河外星系，距離50千秒差距，約合16萬光年。它在天球上的投影在南天極附近，遠離恒星密集的銀道帶，受銀河系星際消光影響很小，具有比處在銀河系內的天體更優越的可觀測條件。這樣，大麥哲倫云超新星SN1987A就成為第一個在光學、紅外、紫外、射電、X射線和γ射線各個波段均有觀測資料的全波段探測的超新星。超新星是罕見的天象，其誕生率和所屬的星系及其質量有關。像銀河系這樣的巨型旋渦星系，平均每幾十年就有一次超新星爆發。大麥哲倫云是一個矮星系，其質量僅及銀河系的1／10。它的超新星誕生率比銀河系小得多，平均每1000年出現一次。

1987年2月23日夜，設在智利的美國拉斯坎帕納天文臺的兩位天文學家和新西蘭奧克蘭的一位天文愛好者各自獨立且都是不期而遇地發現了出現在大麥哲倫云中的超新星，隨即它被命名為SN1987A。次日，國際天文學聯合會天文電信中央局向世界天文臺站和機構發出電傳和電報，通報了這一罕見天象的發現。當時，SN1987A的視亮度正從6星等上升到5星等，并繼續增亮至4星等，正逐步演變成大麥哲倫云中最亮的天體。最初的分光觀測確認了這個驟然增亮的爆發天體是一個富氫Ⅱ型超新星。接著，許多天文學家紛紛飛往南半球的天文臺，運用一切手段對SN1987A進行了連續地跟蹤觀測。

對比SN1987A爆發后的觀測資料和爆發前該天區的照相天圖和光譜檔案，科學家得知爆發前該天體是一個藍超巨星SK－69202。爆發成為超新星之前，它的亮度為12.3星等，表面溫度達16 000K，比太陽亮110 000倍，半徑比太陽大40倍，質量是太陽的19倍。這一認證引起了天文界的極大興趣和關注。因為，在此之前，現代公認的超新星爆發機制認為，Ⅱ型超新星爆發前的天體是大質量的紅超巨星。然而，SN1987A事件卻表明，大質量的年輕恒星還可能先在紅超巨星階段就寧靜地以星風形式拋射掉氫外殼，演變成藍超巨星，然后再爆發成Ⅱ型超新星。1988年，SN1987A爆發一年之后，人們真的觀測到爆發前天體拋射到星周空間的恒星物質以環狀反射回光，從而證實上述的紅超巨星先演變成藍超巨星，再爆發的推論。

按照Ⅱ型超新星的爆發理論，當一個質量大于10個太陽質量的恒星其內核的氫和氦都要燃燒殆盡時，其中心區將聚合成鐵核。如果鐵核的質量達到接近1.4個太陽質量時，核心區在時標為1／100秒的瞬間坍縮。坍縮核之內，在時標為1／1000秒的剎那，產生大量的中微子，總數多達1053個。中微子將坍縮形成引力能的大部分，以接近光速的高速帶出恒星，射向宇宙四方，在幾十秒內一哄而散，于是出現在宇宙中的是一個轉瞬而逝的中微子星。這樣一來，在地球表面每平方厘米的土地上，海洋和人體上均有上百億個中微子穿過，先后歷時不過幾十秒。在誕生一個中微子星的同時，外部核繼續坍縮，與內部核碰撞，產生激波并向外反彈，沖破外部核心，以1／10光速的速度繼續向外沖，貫穿整個恒星，將恒星物質加熱到幾十萬攝氏度，使恒星整體膨脹成為光驟增的超新星。最早記錄到SN1987A開始增亮的時間是1987年2月23日世界時10時35分。在此之前的3小時，即世界時7時35分，世界上有三個高能粒子實驗站分別記錄到來自宇宙遠方的11、8和3個中微子，前后歷時12.5秒、5.5秒和10秒。這是天文學史上第一次直接檢測到一個超新星爆發前一瞬間，其內核坍縮產生的中微子。

SN1987A發現后的最初幾個小時，視亮度從6星等升到5星等、4星等；隨后，稍微變暗；到了3月初，亮度回升；到5月18日，即爆發后第84日，亮度增至極大值，達2.9目視星等。往后，它以每月0.01星等的減光率緩慢而持續地變暗。SN1987A的光度變化可用內核拋散0.07個太陽質量的鎳和鈷同位素的衰變釋能加以描述。在爆發兩年后的光變曲線上顯示出它比預期的減光率略有減緩，這反映可能還有鈷、鈦、鈉等慢衰變元素的附加釋能。SN1987A以光子形式輻射的能量為1×1029爾格。在爆發后6年之際，它的視亮度減弱到19.9星等，只有極大亮度時的六百萬分之一，為爆發前藍超巨星亮度的一千分之一。

SN1987A的光譜分析提供了拋射物質的速度和化學組成的信息。最初爆發時，光譜所反映的是最外層拋射物質的動態，速度達20 000千米／秒～40 000千米／秒。隨著外層逐漸稀薄，光譜開始揭示以3000千米／秒～5000千米／秒的較慢膨脹速度的深層。SN1987A繼續膨脹，原來的藍超巨星的光球消散，演變為一片星云。到1987年11月，在光譜中已呈現來自深層的重元素鎳、鈷和氬的離子的發射譜線。根據十分完整的光曲線和極為豐富的光譜資料，科學家現已精確地求出SN1987A事件共爆發拋射了13個太陽質量的恒星物質，爆發動能達1×1053爾格。其理論分析觀測資料和符合程度高于迄今為止的任何一項同類研究。

SN1987A爆發后的最初幾周，首先在射電波段探測到與星周物質相互作用而形成的加速輻射。由于SN1987A的膨脹氣殼、星周物質、大麥哲倫云的星際物質、大麥哲倫云和銀河之間的星系際物質以及銀河系的星際物質均具有彼此不同的相對運動速度，根據超新星的光學、紫外和紅外光譜中，譜線輪廓和譜線的多普勒位移，可以探測出觀測者和SN1987A之間沿視線方向各個部位星際物質的化學成分、物理狀態、空間分布、運動速度等多種信息。現已查明，最靠近SN1987A的星周是爆發之前藍超巨星流失速度為500千米／秒的低密度星風物質；再向外則是紅超巨星階段流失速度10千米／秒的低密度星風物質；高密度膨脹氣殼外緣在演化成紅超巨星之前，受到主序星流失的1000千米／秒高度星風的吹壓，形成一個星際物質稀薄區。SN1987A爆發一年后，由于超新星光度持續減弱，在照相底片上呈現出星周的兩個膨脹同心光環，它們正是超新星爆發之前由于星周物質的相互作用而出現的星際塵埃的反光回波，其內環半徑是120秒差距(約合400光年)，外環半徑320秒差距(約合1000光年)。到爆發后的第三年，在地面和空間中又檢測到更靠近SN1987A的星際塵埃反光回波。

SN1987A爆發后第六年之際，它已由一個重元素放射性衰變而發散熱能的超新星，逐漸演變成與星周物質相互作用的超新星遺跡。按照現在公認的Ⅱ型超新星的爆發理論，其內核已坍縮形成一個致密天體，它或是中子星，或是黑洞。如果是前者，它將表現為一個脈沖星。然而，在射電波段和光學波段的檢視和搜索，卻始終未能發現這個在理論上預期存在的致密天體，這個天文之謎尚待進一步揭曉。現代天體物理學中的恒星演化最終階段理論、超新星爆發機制理論以及新星爆發后的演化學說都經歷了一次考驗，并趨于完善。