宇宙中每 10 秒钟就会有一颗恒星爆炸。这些超新星中只有一小部分（每年大约几百颗）的光线到达地球，供天文学家仔细研究。研究超新星对于更深入地了解宇宙至关重要，因为它们喷射出的辐射、尘埃和气体有助于塑造星系，形成新的恒星和行星，并用重元素丰富宇宙。但大多数超新星都非常遥远，以至于我们只能通过少数来之不易的光子来猜测它们的精确恒星起源，从而拼凑出它们划时代出现的零星片段。然而，今年早些时候，天文学家观测到一颗超新星爆发，距离地球仅 2100 万光年——在可观测宇宙 940 亿光年的宽度中可谓近在咫尺——使其成为十年来在地球上观测到的最近的超新星之一。由于这颗恒星距离我们很近，天文学家现在能够详尽地拼凑出它生命的最后几天，并对这些天体物理灾难如何发生以及如何塑造浩瀚的宇宙有了新的认识。
日本业余天文学家板垣公一于 5 月 19 日率先观测到这颗超新星，即 SN 2023ixf。几乎立刻，专业观测人员迅速采取行动。“整个超新星观测界都尽可能快地投入其中，”亚利桑那大学的格里芬·侯赛因扎德说，他们使用了哈勃太空望远镜、位于夏威夷的国际双子座天文台和位于加利福尼亚的里克天文台等设施。很快，他们就确定了这颗超新星位于风车星系（也称为 M101）内的某个位置。接下来，首要任务之一是寻找实际爆炸的恒星，这对于超新星来说是相当罕见的。幸运的是，英格兰中央兰开夏大学的乔安妮·普莱杰此前曾作为博士后研究员花费时间研究 M101。“我们有使用哈勃太空望远镜的时间，”她说。通过放大星系的新图像和存档图像中超新星的位置，普莱杰成功地识别出了导致超新星的恒星。“这是一个巨大的进步，”她说。“那里已经有大量的数据了。”
普莱杰的发现证实，造成超新星的恒星是一颗红超巨星。这类恒星是宇宙中最大的恒星之一，半径可达太阳的 1500 倍，质量可达太阳的 40 倍。但 2023ixf 的恒星并没有那么巨大。据认为，它的半径只有太阳的420 倍，质量约为太阳的 10 倍。这与天文学家最初将该事件识别为所谓的 II 型超新星相符，在这种超新星中，一颗大质量恒星耗尽了其核燃料，自身坍缩，并在其外层从其坚固的核心反弹后爆炸性地喷射出去，留下了一颗中子星或一个黑洞。这类恒星在晚年可能会变得臃肿，并在作为超新星爆发之前，从其外层大气中吹走残留的气体和尘埃壳层。当超新星向外膨胀并撞击到这些星周物质时，天文学家团队能够探测到 2023ixf 的星周物质，从而产生了明显的冲击波。“这不是我们第一次看到这种情况发生，”侯赛因扎德说。“但细节从未如此清晰。”
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在超新星被发现后的两周内，加州大学伯克利分校的韦恩·雅各布森-加兰和他的同事看到了明确的证据，证明“超新星冲击波撞击到这个致密的壳层，”他说。他们根据这些观测估计，这颗恒星在爆炸前的几年里损失了不到 1% 的质量。雅各布森-加兰说，虽然这个量看起来很小，但“比我们对红超巨星的预期要多”。“这可能表明我们对红超巨星在爆炸前最后几年的演化和死亡方式知之甚少。”
这种后续工作正在揭示更多关于这些事件如何丰富星系的信息。“它告诉我们恒星如何失去质量，这对星系的演化方式有很大的影响，”亚利桑那大学的阿扎莉·博斯特罗姆说，她曾与人合著了多篇关于 2023ixf 的研究报告。“它还告诉我们一些关于哪些恒星以哪种类型的超新星形式爆炸的信息。”反过来，它可能会揭示超新星本身的动力学——我们看到的能量是完全来自爆炸，还是部分来自超新星冲击波对周围碎屑的影响。“所有这些都与恒星爆炸时剩余的物质多少有关，”博斯特罗姆说。
此前也有一些争论，即这种喷射出的物质会在恒星周围形成一个球体，还是会形成某种更不对称的形状。2023ixf 的结果表明是后者，这标志着科学家们首次详细了解了超新星冲击波与周围星周物质之间快速演化的相互作用。“我们认为，这些物质很可能呈盘状结构，”同样在加州大学伯克利分校的谢尔盖·瓦西里耶夫说。超新星的喷射物在撞击这个盘时呈“沙漏形”膨胀。这可能表明，II 型超新星演化的多样性有一个令人惊讶的来源，即碎屑盘相对于其爆炸宿主恒星的不同方向。“它告诉你，这些事件是多种多样的，”瓦西里耶夫说。
先前观测揭示的这颗恒星的另一个有趣特征是，它一直在脉动——大小变化幅度很大。众所周知，红超巨星会在其生命的最后阶段发展出这种脉动。但直到现在，在随后作为超新星爆炸的母星中，还从未观察到这种情况。美国国家科学基金会国家光学-红外天文研究实验室 (NOIRLab) 的莫妮卡·索赖萨姆和她的同事表明，这颗恒星的亮度经历了剧烈的振荡，并在大约 1000 天的时间里反复膨胀和收缩，幅度约为 50%，然后在最后一次向特别膨胀状态摆动时像一个充气过度的气球一样爆炸。
脉动和超新星被认为没有直接联系。索赖萨姆说，前者是由一种“完全不同的”机制引起的，即恒星大气层中能量流的不稳定性。然而，这种不稳定性仍然知之甚少，这使得可能确实存在某种联系——这正是可能帮助研究人员预测其他红超巨星何时会爆炸的那种情况。（例如，猎户座中的红超巨星参宿四近年来一直在脉动。天体物理学家认为这是最终超新星爆发的一个阴暗预兆，但目前，他们估计这样的事件可能仍然会在未来 10 万年内发生。）“这就是 2023ixf 的耐人寻味之处，”索赖萨姆说。“非常接近爆炸时，我们仍然看到非常规律的变化。”
超新星 2023ixf 的确切“类型”仍然需要进一步确定。最初，它被归类为富氢 II 型超新星的一个子类，称为 II-P 型，在这种超新星中，超新星余辉的衰退会暂停一段时间（P 代表“平台期”），然后再继续坠入黑暗。天文学家现在认为，它实际上是 II-L 型（或“线性”）爆炸，其亮度下降更为稳定。“通常，在大约 40 天内，你应该会看到平台期，”英格兰业余天文学家伊恩·夏普说，他也是提出 2023ixf 是线性的著作的合著者。“我们没有看到任何证据表明它进入平台期。所以我们认为它是 L 型。”然而，产生这两种不同类型超新星的确切机制尚不清楚。“‘我们不知道’是简短的回答，”博斯特罗姆说。她说，P 型和 L 型之间的区别可能取决于一颗垂死的恒星在爆炸性死亡之前设法保留了多少氢外层。“质量损失越多，氢包层就越小——衰退可能就越陡峭或更线性，”她说。
超新星 2023ixf 可能会为这个问题提供一些急需的答案，以及关于红超巨星如何坍缩并最终爆炸的其他细节。“我们可以真正检验我们的图景是否从头到尾都成立，”博斯特罗姆说。除非在我们自己的星系中看到超新星——这是每位现代天文学家都充满希望但尚未实现的梦想——否则，在风车星系中看到的这场短暂而明亮的奇观，可能是未来许多年里检验 II 型超新星的当代模型，并更好地了解宇宙中释放的创造性破坏力的最佳机会。“这项研究的细节和精度都非常高，”雅各布森-加兰说。“它真的将成为 21 世纪研究得最好的超新星之一。”
编者注（2023 年 8 月 29 日）：本文在发布后经过编辑，以更正对超新星 SN 2023ixf 及其研究的描述。
本文的一个版本，标题为“Out with a Bang”，已改编收录在 2023 年 10 月号的《大众科学》杂志中。