2018年9月9日，一台例行巡视夜空的机器人望远镜探测到一个看似新星的天体。在接下来的几个小时里，这颗“新星”亮度增加了10倍，触发了我编写的软件警报，该软件用于识别不寻常的天体事件。当时是加利福尼亚州的夜晚，我正在睡觉，但世界另一端的同事们迅速对警报做出了反应。十二小时后，我们从地球和太空中的望远镜获得了足够的额外数据，证实这是一颗遥远星系中的恒星爆炸——一颗超新星。但这绝非普通的超新星。
综合来自不同望远镜的证据，我们得出结论：这颗恒星在闪耀了数百万年后，做出了令人惊讶和神秘的事情：它突然从表面喷射出多层气体，在自身周围形成了一个茧状物。几天或一周后，这颗恒星爆炸了。爆炸产生的碎片与茧状物碰撞，产生了异常明亮且短暂的光芒。由于爆炸发生在遥远的星系中——光线传播了近十亿年才到达地球——它太暗淡了，肉眼无法看到，但对于我们的天文台来说足够明亮。通过对望远镜数据的回顾性搜索，我们甚至能够在爆炸发生前两周探测到这颗恒星正在脱落物质，当时它的亮度只有爆炸本身的百分之一。
这只是近期几项发现之一，这些发现向我们表明，恒星的死亡方式出人意料地多种多样。例如，有时，超新星爆炸后留下的恒星核心残骸仍然活跃——它可以发射出速度接近光速的物质喷流，而喷流本身可以用比普通超新星更大的能量摧毁恒星。有时，在一颗恒星生命的最后几天到几年里，它会在一系列剧烈的爆发中吹走大部分气体。这些极端的死亡方式似乎很罕见，但它们确实发生这一事实告诉我们，对于恒星如何生存和死亡的基本原理，我们仍然有很多不了解的地方。
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现在，我和我的同事们正在积累一系列不寻常的恒星死亡案例，这些案例挑战了我们传统的假设。我们开始能够提出和回答一些基本问题：哪些因素决定了恒星的死亡方式？为什么有些恒星会在生命的尽头发生爆发或剧烈的喷流，而另一些恒星只是简单地爆炸？
一颗新星
恒星的诞生、生命和死亡的故事是各种力量相互竞争的故事。恒星形成于星际氢气云中，当引力将云的一部分向内拉动，其强度足以克服磁场和高速运动的气体粒子的向外推力时，恒星便诞生了。随着云团碎片坍缩，它的密度增加20个数量级，温度升高数百万度——温度高到足以使氢原子碰撞并结合在一起形成氦。核聚变开始了，一颗新星诞生了。
像云一样，恒星本身也是一个战场，引力向内拉，核聚变产生的压力向外推。恒星的演化取决于它的温度，而温度又取决于它的质量。恒星质量越大，它能锻造的元素就越重，消耗燃料的速度也越快。最轻的恒星将氢聚变成氦，然后就停止了——太阳已经存在四十多亿年了，至今仍在燃烧氢。质量更大的恒星寿命短得多，只有一千万年左右，但却制造出更长的元素链：氧、碳、氖、氮、镁、硅，甚至铁。
恒星的质量也决定了它的死亡方式。轻型恒星——质量小于太阳质量约八倍的恒星——死亡相对平静。在耗尽核燃料后，这些恒星的外层会吹入太空，形成美丽的行星状星云，并将恒星的核心暴露为白矮星——炽热、致密的物体，质量约为太阳的一半，但体积仅略大于地球。
然而，质量更大的恒星会因为核心中巨大的温度和压力而迎来剧烈的死亡。在核燃烧链达到铁元素附近时，条件变得非常热，以至于物质开始瓦解——铁原子会开始分裂成更小的碎片。聚变链被切断，恒星失去了内部压力。引力接管，核心坍缩，直到其组成原子彼此非常接近，另一种相反的力量介入：强核力。现在，核心变成了一颗中子星，一种由中子构成的奇异而致密的物质状态。如果恒星的质量足够大——例如，超过太阳质量的20倍——引力甚至会克服强核力，中子星会进一步坍缩成黑洞。无论哪种方式，当核心坍缩时释放出的一些能量会将恒星的外层推入太空，产生一次爆炸，其亮度足以在几天内超越星系中其余恒星的总和。
数千年来，人类已经用肉眼观测到超新星。1572年，一位名叫第谷·布拉赫的丹麦天文学家在仙后座中注意到一颗新星。它像金星一样明亮，并保持了几个月的亮度才逐渐消失。他写道，他非常震惊，以至于怀疑自己的眼睛。今天，爆炸的遗迹——碎片——仍然可见，被称为第谷超新星遗迹。
为了让超新星足够明亮到肉眼可见，它必须位于银河系中，就像第谷的超新星那样，或者位于其卫星星系之一中，这种情况非常罕见。我可能在我的一生中看不到超新星，除非借助望远镜，尽管我可以期待。在上个世纪，天文学家开始使用望远镜寻找银河系以外的超新星，方法是对同一组星系进行重复观测，并寻找变化，称为瞬变源。我们的望远镜现在已经实现了自动化，并配备了现代相机，使我们每年能够发现数千颗超新星。
一些恒星以极端方式死亡的早期迹象是20世纪60年代发现的伽马射线暴（GRB），之所以这样命名，是因为它们会发出明亮的伽马射线光束。我们认为，当我们看到一颗大质量恒星坍缩成中子星或黑洞时，新生致密天体会发射出狭窄的物质喷流，该喷流成功地从核心穿过恒星的残余部分，并且喷流恰好指向地球。
是什么可能产生这样的喷流？基本思路如下。当一颗普通恒星耗尽燃料并死亡时，它的核心会坍缩成中子星或黑洞，然后就结束了。然而，在伽马射线暴中，尸骸仍然活跃。或许新生的黑洞正在吸收周围物质盘中的物质，在此过程中释放能量。或者，新创建的中子星可能旋转得很快，强大的磁场充当刹车，在恒星减速时释放能量。无论哪种方式，这种“中央引擎”都会泵出能量，这些能量被导入到极热等离子体的喷流中，喷流从恒星中心穿过塌缩的物质向外喷射，发出伽马射线。
喷流穿过恒星会导致恒星以一种特殊的超新星形式爆炸，被称为“Ic型-BL”超新星，它的能量是普通超新星的10倍。当喷流冲击周围的气体和尘埃时，它会在整个电磁频谱中产生光，称为余辉。余辉很难找到，因为尽管它们比典型的超新星亮1000倍，但它们也短暂100倍，出现和消失的时间只有几个小时。找到余辉的最佳希望是等待卫星发现伽马射线暴，然后立即将望远镜指向报告的爆发位置。
然而，通过等待卫星发现爆发，你限制了你可以发现的现象类型。要产生GRB，很多事情都必须正确：喷流必须被发射，穿过恒星，并且指向你。事实上，GRB的发生似乎极其不可能：除非喷流以光速的99.995%的速度运动，否则喷流发出的伽马射线光子应该会被困住。但是，为了达到如此高的速度，喷流需要以某种方式穿过恒星，而不会拖拽恒星的物质。如果大多数喷流实际上确实被恒星减速了呢？我们看到的只是极少一部分成功穿过且没有严重减速的喷流？换句话说，或许伽马射线暴代表了喷流逃离恒星并且没有过度减速的罕见情况。如果这是真的，那么将会有大量的极端恒星死亡事件完全无法被伽马射线卫星探测到。
为了我的论文，我着手寻找余辉，而不依赖于卫星的触发。我的计划是使用兹威基瞬变设施（Zwicky Transient Facility），这是位于加利福尼亚州帕洛玛天文台的一台机器人望远镜，巡视天空，寻找异常短暂、异常明亮的光点——然后快速做出反应。当我在2018年5月提交论文提案时，我的导师警告我说，我可能找不到我正在寻找的东西。他们敦促我保持开放的心态，因为可能会出现新的研究途径。一个月后，这种情况就发生了。两年后，当我毕业时，我的论文与我最初预期的截然不同。
图片来源：罗恩·米勒 (Ron Miller)
圣牛 (Holy Cow)
当我开始工作时，我编写了一个程序来寻找亮度变化比普通超新星更快的宇宙现象。在正常的一天里，我会检查10到100个不同的候选天体，并得出结论，它们都不是我正在寻找的东西。然而，在某些日子里，我会遇到一些让我停下来思考的东西。
2018年6月，我看到来自一个名为ATLAS的机器人望远镜设施的报告，报告了一个名为AT2018cow的奇怪事件。“AT”代表“天文瞬变源 (astronomical transient)”，是自动赋予所有新瞬变源的前缀，“2018”代表发现年份，“cow”是一个独特的字母组合。在接下来的几天里，有报告称该事件与伽马射线暴有相似之处，但没有探测到伽马射线爆发。“啊哈，”我想，“就是它了！” 由于AT2018cow非常明亮且非常近，因此引起了全世界的强烈兴趣，天文学家在整个电磁频谱中对其进行了观测。我立即制定计划，使用夏威夷的射电望远镜——亚毫米波阵列 (Submillimeter Array)——观测AT2018cow。
AT2018cow让几乎所有人感到震惊。它的展开方式与之前见过的任何宇宙爆炸都完全不同。我们就像经典寓言中的人们，试图在黑暗中辨认大象。一个人摸到它的鼻子，说它是喷泉，另一个人摸到耳朵，认为它一定是扇子，第三个人摸到腿，说它是一棵树。同样，AT2018cow与几种不同类型的现象具有共同特征，但很难拼凑出一个完整的图像。
我和我的合作者们日夜不停地反复研究我们的数据，试图弄清楚如何解释它们。其中一些时刻——在黑板上一起计算冲击波的特性，一位团队成员跑下走廊，挥舞着一张写有新结果的纸，以及当一个美好的新测量结果出现时，与同事眼神交汇时的震惊——仍然是我在研究生院最珍贵的回忆。最后，我们得出结论，AT2018cow有两个重要的组成部分。第一个是中央引擎，就像伽马射线暴一样，但持续时间更长——持续数周而不是典型的几天；从爆炸中心发出的X射线持续明亮的时间比预期的要长得多。第二个是，由于某种原因，当恒星炸裂时，它被一个气体和尘埃茧包围，其质量约为太阳质量的千分之一。我们关于茧的证据是间接的：当恒星爆炸时，我们看到了光学闪光和无线电波，这似乎表明碎片撞击了恒星周围的物质。这种茧状物在其他类型的爆炸中也见过，但我们不知道它们是如何形成的——可能是物质在爆炸前不久被恒星抛出的。
如果这个理论是正确的，这将是天文学家首次直接目睹中子星或黑洞等致密天体的诞生；大多数时候，尸骸完全被恒星的残余物所笼罩。在AT2018cow的案例中，我们认为我们实际上可以看到产生所有这些令人惊叹的可变和明亮X射线辐射的致密天体。尽管如此，我们仍然有很多疑问。是什么类型的恒星爆炸了？中央引擎是中子星还是黑洞？为什么恒星在爆炸前不久会抛出物质？为了取得进展，我们需要找到类似的事件，因此我和我的同事们着手使用兹威基瞬变设施寻找另一个AT2018cow。
三个月后，我认为我们找到了一个——2018年9月9日明亮、快速上升的爆炸。最初，它看起来与AT2018cow非常相似。然而，一周之内，情况变得清晰起来，这个事件是一颗Ic型-BL超新星——与伽马射线暴有关的那种。它的名字是SN2018gep。我很兴奋。当然，它不是另一个AT2018cow，但我们终于得到了一个看起来像伽马射线暴的东西。在五天之内，我们收集了整个电磁频谱的详细观测数据。我们搜索了数据，寻找喷流的证据——但我们一无所获。相反，我和我的合作者再次得出结论，我们看到的是明亮、快速演化的光学辐射，来自爆炸碎片与物质茧的碰撞。
这是一个惊喜。尽管在其他类型的恒星周围也见过茧状物，但在与伽马射线暴相关的超新星类型中，它们并不常见。我们的发现表明，比我们想象的更多的恒星会在生命的尽头抛出气体。我们知道气体是在恒星生命的最后时刻丢失的，因为它在爆炸时非常靠近恒星；如果它在更早的时候被抛出，它将有时间走得更远。这意味着这颗恒星在生命的最后几天到几周内，在闪耀了数百万到数千万年后，失去了其外层大气的重要组成部分。因此，似乎这种脱落预示着恒星的死亡。
再一次，我们留下了一些问题。这些死亡预兆在不同类型的恒星中有多普遍？产生它们的物理机制是什么？我意识到，我现在有了一个新的研究方向——不仅是伽马射线暴和喷流，还有即将爆炸的大质量恒星的警告信号。或许这些不同的现象甚至是相互关联的。
直到我博士课程的最后六个月，我才终于找到一个伽马射线暴余辉。2020年1月28日，当我像往常一样审查候选天体时，我看到了一些看起来很有希望的东西。我比以前更清楚不要激动——多年来已经有很多很多次的虚惊一场。我立即请求使用加那利群岛拉帕尔马岛的一台望远镜进行额外的观测，他们证实这个源正在快速消退，这符合余辉的预期。那天晚上，我请求在帕洛玛天文台的200英寸海尔望远镜上进行紧急观测，结果显示该源仍在消退。第二天晚上，我使用雨燕X射线空间望远镜进行了观测，并探测到来自该事件的X射线，几乎完全证实这确实是一个GRB余辉。在那之后的晚上，我在夏威夷莫纳克亚山的凯克望远镜上获得了一个短暂的时间窗口，希望测量爆炸的距离。
我睡在我大学——加州理工学院——的远程观测室里的睡袋里，并把闹钟调到凌晨4点。时间到了，我感到恐慌——我正在夜幕降临之际挤出时间进行这次观测，天空很快就要变亮了，源非常微弱，我非常害怕太晚了。我尽了最大的努力。当光线太亮而无法继续观测时，我通过Skype给我在英国利物浦约翰摩尔斯大学的同事丹·珀利 (Dan Perley) 打了电话，我们一起查看了数据。我很幸运。源很微弱，但事件的光线中有一个巨大、轰鸣、明显的特征，这使我们能够测量距离，距离非常遥远：红移为2.9，这意味着它的光线在穿越宇宙的旅程中显著变红。当这颗恒星爆炸时，宇宙只有23亿年的历史。来自爆炸的光子花了114亿年才到达地球。今天，爆发的物理位置距离我们210亿光年——爆炸发生在很久以前，以至于宇宙自那时以来已经显著膨胀。这是真的。
在我们发现第一个余辉几个月后，我们发现了第二个。为了说明这一点，在兹威基瞬变设施之前，只有三个余辉是在没有伽马射线暴首先发生并告诉天文学家在哪里寻找的情况下被发现的，而我们在短短几个月内就发现了两个。现在我们的搜索策略已经理顺并开始工作，我希望我们能够常规地找到这些余辉。尽管如此，即使手头有两个余辉，我也无法明确回答我最初提出的问题。很难判断任何给定的余辉是新的事物，还是只是高能卫星恰好错过的普通伽马射线暴。我们需要找到更多的事件，才能判断我们是否正在目睹真正不同的现象。
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自从发现AT2018cow中一种意想不到的新型引擎驱动爆炸以来，我的搜索已经揭示了各种不寻常的恒星现象。有一种奇怪的Ic型-BL超新星（与GRB相关的那种）撞击到物质茧中，但没有显示出强大喷流的证据（GRB的标志）。然后是另一个类似于AT2018cow的事件。还有两颗Ic型-BL超新星可能存在喷流，但它们的能量比传统伽马射线暴中的喷流要小，也更宽。最后，就在研究生院即将结束时，出现了两个实际的宇宙余辉，其中一个被证明与伽马射线暴有关。
到目前为止，我们天文学家就像动物学家一样，进入相对未知的领域，并描述我们看到的所有不同生物（在本例中是爆炸）的特征。下一个阶段将是寻找模式。每种类型的爆炸的相对发生率是多少？它们似乎发生在一种类型的星系中，而不是另一种类型中吗？这些不同的类别实际上是不同的“物种”，还是只是同一种现象的不同表现形式？
为了回答这些问题，我们将需要一个更大的目录。从几年后开始，正在智利建造的薇拉·C·鲁宾天文台 (Vera C. Rubin Observatory) 将使用有史以来最大的数字相机（30亿像素）每晚发现1000万个潜在的瞬变源——是兹威基瞬变设施现在的10倍。有了更多的数据，我想研究哪些恒星在临死前会损失掉一些质量，以及损失的频率。我想研究我们如何判断恒星内部是否存在被扼杀的喷流，以及如何识别恒星临终前的微弱辐射，从而预测恒星将在何时何地爆炸。最终，我想探究导致这些不寻常死亡的因素——也许是恒星的自转速率或与其他恒星相互作用的历史，导致它以如此壮观而罕见的方式死亡。