银河系最亮的爆炸在意想不到的触发下变成了核

这些白矮星以每秒超过1000公里的速度在银河系上空飞驰--比飞驰的子弹快数千倍，速度如此之快，以至于它们最终会逃脱银河系的引力控制。“它们和我们以前见过的任何东西都不一样，”华威大学的天文学家鲍里斯·甘斯克(Boris Gaensicke)说。

Gaensicke和他的同事怀疑这些烧尽的余烬是为了逃离暴力现场：超新星爆炸，另一颗白矮星像地球大小的氢弹一样引爆。在这些被称为Ia型超新星的爆炸的标准图片中，附近的一颗巨星点燃了导火索。但白矮星的极快速度暗示了一种不同的情况，即逃逸的矮星从围绕注定要灭亡的恒星的近轨道上发出了火花。当他们爆炸时，这些伙伴就像圣经中的弹弓一样被扔了出去。

这三颗白矮星是在欧洲盖亚卫星2018年的数据集中发现的，它们的速度只是这张照片的一条线索。随后的地面观测发现，恒星的轻元素中有铁和其他金属的痕迹，这些元素可能是由超新星爆炸植入的。根据光线的颜色和亮度，天文学家可以推断出，这些恒星比典型的白矮星更热、更大，就好像它们是被突然的能量提升所膨胀的。最能说明问题的是，研究人员倒转了恒星的轨迹，发现其中一颗来自一个已知的地点：一颗9万年前的超新星的残留物。加州大学伯克利分校的研究小组组长沈肯说，它们是双胞胎白矮星的“最好的证据”。

跟踪超新星等快速变化现象的特拉维夫大学怀斯天文台(Wise Observatory)主任丹·毛兹(Dan Maoz)表示，双胞胎白矮星驱动着大部分(如果不是全部)Ia型超新星，这一超新星爆炸约占银河系超新星爆炸总数的20%，这一证据“越来越令人信服”。他说，白矮星与红巨星这样的大恒星配对的经典情景“在自然界中是不会发生的，或者是非常罕见的。”

哪一幅图盛行对天文学有影响：Ia型超新星在宇宙化学制造中扮演着至关重要的角色，它们的火球锻造了弥漫在宇宙中的大部分铁和其他金属。爆炸也是“标准蜡烛”，被认为是以可预测的亮度发光的。从地球上看，它们的亮度提供了一个宇宙尺度，除其他外，用来发现“暗能量”，这是一种正在加速宇宙扩张的未知力量。如果Ia型超新星起源于成对的白矮星，它们的亮度可能不像人们想象的那样一致--它们可能不像标准蜡烛那样可靠。

罗伯特·基什纳(Robert Kirshner)是戈登和贝蒂·摩尔基金会(Gordon And Betty Moore Foundation)的超新星长期观察者，他还没有准备好放弃经典的情景，但他承认对此存在疑虑。“通向Ia型超新星的路径可能不止一条，但光输出的均匀性有点自相矛盾，”他说。然而，“有一个令人困扰的疑问：我们是否完全了解这些爆炸的性质？”

大约14,000公里直径的白矮星红巨星(未按比例)氢层建立氢气红巨星幸存核心点火轨道随着恒星发出引力波而收缩白矮星合并合并热融合白矮星双星合并点上的白矮星氦穿过氦层爆炸冲击波点燃核心第二颗从爆炸超新星抛出的矮星质量≥1.4太阳超新星质量≤1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4太阳超新星质量=1.4时。当太阳大小的恒星耗尽氢和氦燃料时，它坍塌成一颗白矮星，一颗地球大小的余烬，主要由碳和氧组成。如果任其发展，它可能会阴燃数十亿年。但如果它与另一颗恒星配对，更具爆炸性的命运可能会等待着它。Ia型超新星，作为宇宙统治者和化学锻造的关键，是白矮星的爆炸。但是为什么一颗燃烧殆尽的恒星会变成核子呢？几十年来，研究人员一直认为，一颗巨大的伴星会向这颗白矮星捐赠气体，直到它重到足以点燃为止。出现了两种不同的理论，都涉及到白矮星对在螺旋舞中走向死亡。太阳红巨型地球合并白矮星产生热量引发碳聚变。但爆炸可能是肤浅和不平衡的。白矮星合并就在合并之前，一颗矮星偷走了一层薄薄的氦气，然后引爆，点燃了核心更大的爆炸。双重引爆白矮星偷走了气体，增加了足够的重量来启动碳聚变--导致了一场失控的爆炸。经典场景。

超新星有两种基本口味。最常见的是核心塌陷。它们发生在遥远的大质量恒星

其余的都是Ia型白矮星，不知何故重新点燃成失控的聚变反应。新能量的爆发发生得太快，恒星无法吸收，在比核心崩塌的超新星更亮、更长的爆炸中将整个星体吹得粉身碎骨。

白矮星可能看起来不太可能是烟火的候选者。它们是类太阳恒星的灰烬，燃烧了它们的氢和氦燃料，在大多数情况下留下了碳和氧，这是更重的元素，不能在这样一颗低质量的恒星中融合。白矮星缩小到地球的大小，只有在余热的作用下才会发光。从理论上讲，它们应该会在数十亿年内冷却成黑色。

但是，如果这颗白矮星与另一颗恒星成双星运行，等待它的可能是更壮观的命运。经典的Ia型情景是由John Whelan和Icko Iben在1973年提出的。他们绘制了超新星SN1972e整整一年的褪色光，并意识到它的亮度可以用大约相当于1个太阳质量的放射性金属的衰变来解释。他们提出，这些是在一颗白矮星中锻造的，这颗白矮星的大小已经增长到其核心的压力和温度将高到足以聚变碳，从而导致热核爆炸。惠兰和伊本认为，如果白矮星的引力从伴星(如膨胀的红巨星)那里窃取氢气，那么白矮星可能会增长到这个质量门槛，因为它不会把外层抓得太紧。

后来的建模表明，实现这种增长是一个微妙的平衡行为。如果一颗白矮星吞噬氢的速度过快，在其表面形成的氢层会变得足够热，从而过早地爆炸，这是一种更温和的热核爆炸，称为经典新星，如果这种情况反复发生，就会发生反复的新星。如果它积累得太慢，白矮星可以踮起脚尖达到太阳质量的1.44倍。在这个被称为钱德拉塞卡尔极限的临界点，理论家们预测，内部的压力将导致电子和质子聚变成中子，白矮星将悄悄塌缩成中子星。

但是，如果氢的添加速度恰到好处，一颗白矮星，特别是富含碳和氧的白矮星，可以做出更戏剧性的反应。就在钱德拉塞卡极限以下，在大约1.4个太阳质量时，核心的密度和温度迅速上升。碳聚变的耀斑爆发了。在阴燃了100年或更长时间后，失控的反应引爆了这颗恒星，并在几秒钟内将其炸得四分五裂。由此产生的火球亮度是太阳的50亿倍，在元素周期表中锻造出从铬到镍的一系列金属。镍的放射性衰变为钴和铁提供动力，产生一种灿烂的余辉，在几周内达到顶峰，然后在数年内消退。因为，在这张图片中，每一种Ia类型的爆炸都有相同的质量，所以它们都应该有相同的峰值亮度。

几十年来，这种情况一直让天文学家感到满意。但他们还没有找到确凿的证据来证明这一点。在超新星扩散到足够透明之后，天文学家通常会寻找幸存的红巨星伴星，但从未找到过。

模型还建议，在超新星开始数小时后，随着不断膨胀的火球撞击红巨星稀薄的氢气大气，并将其加热到足以在紫外线中发光的程度，应该会出现一道蓝光。但是，2011年，当天文学家在附近的风车星系点火后的几个小时内发现了一颗超新星时，他们没有看到蓝色的闪光。加州大学圣克鲁斯分校的超新星专家斯坦·伍斯利(Stan Woosley)说：“SN2011fe是范式的改变者。”

第二个预测信号-更弱但更持久-也一直难以捉摸。天文学家预计来自红巨星的一些氢会与其他爆炸碎片一起被扫走，当残余物冷却时，会在超新星的光谱中产生一条吸收线。但2019年对227个Ia型超新星残骸的研究没有发现这种氢的迹象。

毛兹说，这些数字与经典情景背道而驰。在银河系这样的星系中，Ia型超新星每几百年发生一次。如果它们都来自一颗白矮星和一颗红巨星，那么银河系将不得不容纳大约1万对这样的对子-而且几乎没有证据表明它们存在。由于很难将双星对视为距离如此之远的独立恒星，天文学家们一直在寻找间接的证据，比如红巨星的氢迅速溢出到白矮星伴星上时触发的经常性新星，或者稳定的氢流可能产生的软x射线光芒。毛兹说，如果银河系藏匿着10,000对白矮红巨星对，我们应该会看到许多新星和软X射线源，但目前只发现了少数几个。“我们丢失了99.9%的系统。”

经典情景的理论基础也存在问题。一个关键的假设是，爆炸是如此猛烈，以至于整个恒星都被炸得四分五裂。但理论家们很难对阴燃的聚变耀斑如何爆发成一场耗尽一切的爆炸进行建模。对这一过程进行建模需要模拟100年或更长时间内在地球大小的物体上以厘米级分辨率进行的核反应。直到最近，计算机还不能处理这一挑战-而现在它们可以，沈说，只有一些模型可以预测过渡。“这个领域的状况还没有定论。”

进入另一种方式来炸毁一颗白矮星。天文学家们知道，两颗相互运行的白矮星--即所谓的双重简并--会随着它们快速的轨道抛出引力波，逐渐向内螺旋，引力波会带走能量。当它们合并时，很容易就会有足够的热量和压力来启动合并后的恒星中的碳聚变。

模型表明这种机制存在一个问题：燃烧不会从核心开始。它可能会在两颗恒星活跃碰撞的热区开始，导致不平衡和不完全的爆炸，这将使恒星的大部分质量不被燃烧。或者，它可能会在接近地表的地方点燃，只吹走合并后的恒星的外层。伍斯利说：“在双重简并中引爆绝非易事。”

然而，毛兹说，这种可能性是不可抗拒的：白矮星双星被认为是相当常见的。在2018年的一项研究中，毛兹和他的同事结合斯隆数字天空调查(Sloan Digital Sky Survey)和欧洲甚大望远镜(Very Large Telescope)的调查结果，寻找白矮星被合作伙伴拖拽的摆动。他们得出结论，自从银河系形成以来，大约有5亿颗白矮星双星合并在一起。如果只有六分之一的合并导致Ia型超新星，那就是每200年就有一颗超新星-大致相当于银河系中观察到的情况。另一个研究小组利用盖亚的数据得出了类似的结论。

毛兹并没有被获得一个完整的、对称的爆炸的问题吓倒。“仅仅因为我们不知道它是如何发生的，并不意味着大自然没有找到方法。”事实上，许多人相信大自然已经找到了炸毁白矮星对中的一个成员的方法-但没有合并。在核心停止燃烧后，白矮星的大气层中可能会有一些剩余的氦。当一对轨道处于合并的尖端时，两颗恒星中较大的一颗可以迅速从较小的一颗中窃取氦，在其表面形成一层致密的氦层。氦层可以充当一种爆炸帽，在一次小型热核爆炸中爆炸，并向恒星发出冲击波，从而点燃核心。

这种情况被称为D6，即动态驱动的双简并双爆轰。这个想法最早是由哈佛-史密森天体物理中心的研究员詹姆斯·吉尔洛雄和他的同事们在2010年提出的。它使较小的白矮星遭受重创，但却被释放，就像沈的团队在盖亚数据中发现的那样。伍斯利说，D6最初被认为需要大量的氦，使其成为一种罕见的事件，但最近的模拟表明，只需太阳质量的几%就足够了。

D6情景的一个关键特征是，爆炸中的白矮星可以远低于临界质量，因为火花来自冲击波，而不是来自引力压力。质量较小的爆炸恒星产生的镍会更少，亮度也会更低。

最近对金属元素超新星锻造的研究表明，低质量的Ia型可能是常态。根据模型，Ia型超新星中锰的产生对白矮星核心的密度特别敏感：如果恒星接近1.4太阳质量阈值，其高密度核心会产生大量锰；如果恒星较轻-就像D6机制中可能的那样-它产生的锰是白矮星的十分之一。

因此，从今天恒星的光中提取的锰的丰度可以暗示古代超新星的质量，这些超新星为它们播种了更重的元素。堪培拉新南威尔士大学的阿什利·鲁伊特(Ashley Ruiter)说：“锰提供了一种间接的方法来探测该星系爆发的前几代Ia型超新星。”

在2013年的一项开创性研究中，时任维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学(Julius Maximilian University)的伊沃·塞坦扎尔(Ivo Seitenzahl)领导的研究人员将太阳中锰的丰度与不同质量的超新星将产生多少锰的模型进行了比较。他们发现，过去在太阳附近爆炸的超新星中，只有一半需要高质量才能解释太阳的锰含量。“这是新一波结果的第一波，”马克斯·普朗克天文学研究所的玛丽亚·伯格曼说。今年，她和她的同事报告了银河系42颗恒星中的锰，并得出结论，丰度表明银河系Ia型超新星中75%是低质量的。

小尺寸Ia型超新星的含义远远超出了当今宇宙的元素范围。他们还对爆炸作为探索宇宙历史的“标准蜡烛”的长期作用提出了质疑。

1998年，研究人员将几十颗距离较远的Ia型超新星与距离较近的Ia型超新星进行了比较，发现它们的亮度比正常情况下要暗一些。他们的结论是，宇宙的膨胀正在加速，由某种未知的暗能量驱动-这一发现使他们获得了2011年诺贝尔物理学奖。超新星距离也是关于膨胀率本身价值的争论的核心，也就是众所周知的哈勃常数。在近宇宙中，膨胀率是使用ia型超新星之类的标准蜡烛来测量的；在遥远的早期宇宙中，它是从宇宙微波背景、大爆炸的回声等线索中得出的。当暗能量的影响被剔除后，这两个值应该是一致的--但事实并非如此。

一支不那么标准的蜡烛会危及这些发现吗？“这意味着什么，但并不是说暗能量会消失，”伍斯利说。暗能量已经用其他方法得到了确认，所以他并不担心这一点。但他认为宇宙学家将会遇到麻烦，因为他们将他们的理论进行更严格的测试，这需要更精确的标准蜡烛。“超新星对精密宇宙学的用处可能不大，”他说。

天文学家已经知道Ia型超新星的峰值亮度并不完全一致。为了应对这一问题，他们得出了一个经验公式，称为菲利普斯关系(Phillips Relationship)，它将峰值亮度与光线衰减的速率联系起来：衰减缓慢的闪光总体上比衰减迅速的闪光更亮。但是超过30%的Ia型超新星远离菲利普斯关系。沈说，也许低质量的D6爆炸可以解释这些奇怪的现象。目前，那些挥舞着宇宙尺度的人将需要“扔掉任何看起来奇怪的东西，”Gaensicke说，并抱着最好的希望。

拉斯卡姆雷斯天文台的超新星观察家安迪·豪厄尔认为，如果天文学家能够将目前归结在一起的Ia型超新星的不同种类分开，那么Ia型超新星仍然可能是宇宙学的可靠工具。“如果我们知道有两个种群，我们可以把测量结果做得更好，”他说。

到目前为止，天文学家不能说他们最喜欢的宇宙爆炸中有多少是由白矮星对引发的，而不是由巨人和矮星引发的。鲁伊特说：“现在确切地说那部分是多少还为时过早。”但未来几年可能会带来更多的明朗。

每晚甚至每小时扫描天空的巡天望远镜捕捉到越来越多的超新星。目前的领跑者，加利福尼亚州的兹维基瞬变设施，每晚发现大约30颗超新星。2022年，随着维拉·C·鲁宾天文台(Vera C.Rubin Observatory)的启用，它的产量将相形见绌。维拉·C·鲁宾天文台是一座8.4米高的勘测望远镜，位于智利，预计每晚将发现数千颗超新星。其他能够同时从数千个物体获得光谱的望远镜将使天文学家能够研究爆炸的特征-蓝色闪光，氢吸收线-这些特征可能会暴露出一颗巨星的参与。

沈和甘西克希望盖亚发布的下一次数据将包含更多逃离D6爆炸的高速白矮星。激光干涉仪空间天线，一种定于2034年发射的轨道引力波探测器，将能够在白矮星对螺旋式合并时感觉到它们，让天文学家更好地了解它们到底有多常见。豪厄尔说：“这是超新星真正的黄金时代，因为我们发现的超新星太多了。”“我们现在终于有了以新的方式看待它们的工具。”