清華新聞網(wǎng)5月11日電 大質(zhì)量恒星在演化末期一般會(huì)形成核塌縮超新星爆發(fā)。而超大質(zhì)量恒星（初始質(zhì)量接近100倍太陽(yáng)質(zhì)量）如何演化？最終結(jié)局是什么？他們與宇宙中最亮的超新星——超亮超新星之間存在什么關(guān)系？這些都是天體物理中的重要疑難問(wèn)題。對(duì)這些問(wèn)題的深入理解是完善恒星演化理論以及超新星爆炸物理的重要基礎(chǔ)。
清華大學(xué)物理系王曉鋒教授團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)一顆近鄰I型超亮超新星SN 2017egm進(jìn)行了長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，揭示了其極其復(fù)雜的光度演化（圖1）。通過(guò)構(gòu)建模型和數(shù)據(jù)擬合，他們發(fā)現(xiàn)這顆超新星非同尋常的輻射演化源于爆炸拋射物與四層星周物質(zhì)殼的相互作用。這些星周物質(zhì)殼層的存在揭示了前身星在塌縮爆炸前夕經(jīng)歷過(guò)頻繁的物質(zhì)拋射，例如平均每年物質(zhì)損失率高達(dá)1～10倍太陽(yáng)質(zhì)量。如此劇烈的物質(zhì)拋射難以用經(jīng)典的大質(zhì)量恒星星風(fēng)和雙星相互作用理論解釋?zhuān)c理論上提出的脈動(dòng)式對(duì)不穩(wěn)定機(jī)制（PPI）所驅(qū)動(dòng)的物質(zhì)丟失高度吻合。結(jié)合恒星PPI理論模型和能源模型分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，SN 2017egm前身星發(fā)生對(duì)不穩(wěn)定前的氦核質(zhì)量達(dá)到約50倍太陽(yáng)質(zhì)量，在脈沖式物質(zhì)拋射階段損失總計(jì)7~8倍太陽(yáng)質(zhì)量，爆炸階段拋射了2~3倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，而中心則產(chǎn)生了一個(gè)重約40倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。此項(xiàng)研究表明，超大質(zhì)量恒星的氦核通過(guò)脈動(dòng)式對(duì)不穩(wěn)定+核塌縮機(jī)制也可以形成幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，而不僅局限于小黑洞的并合。根據(jù)單星演化理論，如此重的氦核通常來(lái)自于低金屬豐度的超大質(zhì)量恒星。因此，對(duì)于一個(gè)位于高金屬豐度環(huán)境的超亮超新星SN 2017egm而言，其前身星有以下三種可能：（1）在高金屬環(huán)境中爆炸的低金屬豐度恒星；（2）早期星風(fēng)損失遠(yuǎn)低于理論估計(jì)的高金屬豐度恒星；（3）來(lái)自于兩個(gè)大質(zhì)量恒星的并合。該源的觀(guān)測(cè)和研究對(duì)于理解超亮超新星的起源、檢驗(yàn)大質(zhì)量恒星演化、爆炸理論以及大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞的形成均具有重要意義。
圖1.左圖為超新星復(fù)雜星周環(huán)境的藝術(shù)效果圖，黃線(xiàn)和粉線(xiàn)分別是超亮超新星SN 2017egm和普通超新星SN 1998bw的熱光度曲線(xiàn)（北京天文館喻京川繪制）。右圖是SN 2017egm光度演化曲線(xiàn)與黑洞吸積模型（FB）、磁星模型（MAG）、拋射物與單層介質(zhì)相互作用+放射性元素模型（CSIRD）和拋射物與多層介質(zhì)相互作用+放射性元素模型（MCSIRD）擬合結(jié)果的比較。
研究成果以“一顆源于超大質(zhì)量恒星脈動(dòng)對(duì)不穩(wěn)定機(jī)制演化形成的超亮超新星爆發(fā)”（A Superluminous Supernova Lightened by Collisions with Pulsational Pair-instability Shells）為題于5月1日在線(xiàn)發(fā)表在《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）上。
王曉鋒教授為文章的通訊作者，清華大學(xué)物理系博士后林巍莉?yàn)槲恼碌牡谝蛔髡?，論文主要合作者還包括美國(guó)加州理工學(xué)院的嚴(yán)琳研究員、以色列魏茨曼科學(xué)研究所的蓋爾·亞母（Gal-Yam）教授以及美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的亞歷克斯·菲利彭科（Alex Filippenko）教授研究團(tuán)隊(duì)等研究人員。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、北科院北科學(xué)者項(xiàng)目以及科學(xué)探索獎(jiǎng)等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41550-023-01957-3
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
