当一颗大质量恒星走向生命尽头，会经历一次剧烈的爆炸，发出持续数周至数月的耀眼亮光，然后变暗直至熄灭——这是典型的超新星爆发过程。2015年，一名本科生在天文台实习时却观测到一个从未出现过的现象：一个此前被认为是普通超新星的星体，在爆炸四个月后又重新变亮了！这种前所未见的现象，将如何得到解释？
撰文 | Natalie Wolchover
翻译 | 张清越
疯狂的超新星
2014年9月，天文学家们在观测五亿光年外的一个小星系时，发现了一个暗淡的光点。它看起来就是个再普通不过的超新星——死亡的恒星剧烈爆炸，发出强烈的光。但在2015年1月，一位本科生却看到了不同寻常的现象。Zheng Wong在加利福尼亚州Las Cumbres天文台实习时发现，这个小光点又开始变得越来越亮了。
当他把这一反常的变化展示给他的导师，天文学家Lair Arcavi看时，“他惊讶地瞪大了双眼。”Wong回忆道。Arcavi很快说服了自己，并表示这个编号iPTF14hls的光源一定不是个超新星，而是一颗附近的变星，正巧叠加在这个遥远的星系上。Wong说，“他当时是那么确定，我甚至愿意赌上我的汽车，那是一颗变星。”不过他仍然帮助Wong测量了iPTF14hls光源的光谱，测量它的颜色以便确认它的化学成分。让他们吃惊的是，测量得到的光谱正是来自一个II-P型超新星——这也是最为常见、我们了解最充分的一种超新星。当一个II-P型超新星爆炸时，它的亮度升高并稳定（plateaus）100天左右（这也是型号里字母P的由来），然后降低直到结束。“我们从未见过一个亮度降低后再次升高的超新星，”Arcavi和52位合作者们在发表于《自然》杂志的论文里写道，“正是这时，我们才意识到我们观测到了很不寻常的东西。”
从那时开始，Las Cumbres天文台的全球望远镜网络都保持着对iPTF14hls的全天候观测。科学家们发现了关于这个超新星另一个奇怪现象：测量到的爆炸物喷射速度保持在很高的水平，而通常随着超新星内部速度较慢的物质溢出，测量到的爆炸物速度会降低。2015年5月16日，在发现该超新星超过250天后，Arcavi在iPTF14hls的记录日志里写道：“这真是一个疯狂的超新星，可惜它很快就要转到太阳背面了。”
科学家理所当然地认为它将一去不复返，然而当9月来临时，iPTF14hls又一次从太阳后面转了出来，闪烁依旧。事实上，它的亮度比以前又升高了。
Las Cumbres 观测团队的一员，同时也是以色列魏兹曼科学研究所的天文学家的Ofer Yaron记录道：“有人在天上捉弄我们。”
这颗神秘星体的光变曲线
不断被推翻的假设
Las Cumbres团队原本计划在三年间追踪观测500个超新星，这是天文学家们编写恒星死亡分类任务中一环。加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的理论天文学家Stan Woosley告诉我们，这个任务的目标是“合成不同质量、金属丰度和旋转速度的恒星死亡时的照片”。众多与我们的太阳类似的普通恒星每天都在宇宙中生死往复，这无关紧要，但巨型恒星——那些死亡时会变成超新星的星体——则是宇宙的引擎，为新生的恒星提供原料。
Stan Woosley
这些质量在太阳8倍至几百倍的稀有恒星爆炸时，会制造出金属（对于天文学家们来说，金属是所有比氢和氦要重的元素的统称），接着把这些物质撒向周边的星系，孕育下一代更加富含金属物质的恒星。与此同时，它们的核也能坍塌成黑洞、超密度的中子星、拥有磁场的中子星（磁星），或者是旋转的磁星（脉冲星）。但除此之外，这些巨型恒星还有我们尚不了解的结局吗？洞悉天体的所有可能性是理解星体演化中不可或缺的一步。然而，Las Cumbres天文台近期的发现告诉我们，恒星可能还有很多我们不知道的死亡方法。
在接下来的两年，天文学家一边静静地监控着iPTF14hls，一边与理论物理学家一起讨论着这个奇怪的发现，希望有人能提出可以解释这一现象的理论。几个猜想随之诞生——或许，在超新星爆炸的过程中诞生了一个磁星，而磁星释放的伽马射线暴是高亮度的来源；又或许，一个新形成的黑洞在吞噬着它周围的恒星物质。但迄今为止，没有一个猜想能完全解释观测到的现象。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的天文学家，同时也是Las Cumbres 超新星团队的领导者Andy Howell说道：“每个理论都能解释一部分现象，但又存有问题，接着另一个理论能解释上一个残留的问题，但本身又带来了新的问题——没人真的知道到底是怎么回事。”
理论学家知道，巨型恒星通常在内部核燃料耗尽后转变为超新星。向外的辐射压降低，导致内核在引力作用下崩塌（形成黑洞或中子星），而内部收缩产生向外的冲击波，让恒星外壳物质以及耀眼的辐射冲向宇宙。对于II-P型超新星来说，前身星的外层有充足的氢，它们被超新星的冲击波电离化之后变成不透明体。在去离子化的过程中，它稳定地释放出光，导致我们观测到的100天稳定亮度。在我们测量到的iPTF14hls光谱里，氢和铁的含量符合标准的II-P，但“正常II-P在30天的亮度，和iPTF14hls的300天看起来差不多，”Howell说道。它的前身星肯定非比寻常的巨大，带着前所未有的氢含量，才能持续数百天发光，但这依然不能为它神秘的亮度变化做出解释，还有爆炸物居高不下的速度。不管它是个什么，它的光谱都看起来和II-P一模一样，但除此之外各方面的表现都迥然不同。
黑洞“质量间隙”现身？
在2016年9月，Howell在德国加尔兴一场超新星会议上展示了Las Cumbres天文台的发现，而听众里包括中期帕洛玛暂现天体巡天项目（Intermediate Palomar Transient Factory）里最初发现iPTF14hls的天文学家Peter Nugent。当Nugent和其他超新星研究者们一起讨论关于iPTF14hls的细节时，他们想到了Woosley提出的一个理论。Woosley认为，最初质量在70到140个太阳质量的恒星，由于一种宏观上的量子现象，会经历阶段性的爆炸，叫做“脉动对不稳定性超新星”（PPISN）。根据计算，这些巨大的恒星温度过高，它们的辐射自然转换成电子-正电子对，而不需要经历内核坍塌。当光转化为物质时，辐射压力消失，恒星瞬间收缩；而当收缩点燃恒星外层的燃料时，收缩反转，恒星爆炸。之后它继续在收缩、爆炸间往复。
虽然在过去我们从未观测到PPISN的存在，但理论学家们坚信，它会以多种不同的形式出现，只有一个特征不变：那就是这颗恒星会不规律地在几天、几个月、几十年甚至成百上千年的时间里爆发。直到它们的内核缩小到了不再出现量子对不稳定性的时候，它们才能终于坍塌成为黑洞。如果Woosley的理论正确，在某个特定质量范围内应该不存在黑洞，因为在那个范围内的恒星都会通过脉动对不稳定性而爆发缩小。天文学家们正在通过LIGO寻找这个黑洞的“质量空隙”。PPISN在每次先行爆炸期间，都会释放几倍太阳质量的物质，在恒星周围形成云状碎片团，看起来就像小型超新星一样。当这些释放出来的外壳碎片撞在一起时，爆炸的亮光在我们看来忽明忽暗，这就解释了我们观测到的iPTF14hls标志性的闪光。
在加尔兴，Nugent查看了iPTF14hls前身星的爆炸记录。他从帕洛玛光学巡天项目数字化并上传的老照片库里寻找着蛛丝马迹。他先找了1993年的记录，但并没有iPTF14hls的身影。但当他继续找向更早的1954年记录时，奇迹出现了：一个小光点出现在了iPTF14hls现在所在的位置。超新星是很罕见的，同一个小星系在几十年内有两个不同的大质量恒星爆发的概率很小。虽然现在还很难计算统计显著性，但Nugent说：“你的眼睛不会撒谎。你看到这个图片，就会说：‘这看起来完全
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