三顆衛(wèi)星（包括美國宇航局的兩個）對2018年發(fā)生的新星爆發(fā)進行了史無前例的觀測，首次得到了直接證據(jù)，證明爆炸的可見光大部分來自沖擊波，即爆炸碎片中形成的壓力和溫度的突變。

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超新星爆炸

新星是一顆原本不顯眼的恒星突然短暫地變亮，它產(chǎn)生于伴星的氫流流到白矮星表面時，白矮星是一種比地球大不了多少的致密恒星灰燼。美國宇航局的費米和努斯塔太空望遠鏡，以及加拿大不列顛多倫多衛(wèi)星和一些地面設施，都研究了這顆新星。

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新星遺骸 ?by天圣天文館

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新星爆炸

“多虧了一顆特別明亮的新星和一次幸運的突破，我們能夠收集到迄今為止一顆新星最棒的可見光和伽馬射線觀測，”伊萊亞斯·艾迪說，他是東蘭辛密歇根州立大學的天文學家，他領導了一個由40個機構(gòu)組成的國際小組。“我們數(shù)據(jù)的高質(zhì)量使我們能夠區(qū)分與光學和伽馬射線同時發(fā)生的耀斑，這提供了確鑿的證據(jù)，證明沖擊波在某些恒星爆炸中起主要作用?！?/span>

2018年的爆發(fā)源于一個后來被稱為V906船底座的恒星系統(tǒng)，它位于船底座13000光年之外。隨著時間的推移，白矮星不斷加深的氫層達到了臨界溫度和壓力（對于一個所謂的經(jīng)典新星，比如V906船底星來說，可能需要數(shù)萬年的時間），然后它會爆發(fā)一種失控的反應，把所有積累的物質(zhì)都吹走。

每一次新星爆炸釋放的能量是太陽一年輸出能量的1萬到10萬倍。天文學家每年在我們的星系中發(fā)現(xiàn)大約10顆新星。

費米后來在2010年發(fā)現(xiàn)了第一顆新星，至今已觀測到14顆。盡管X射線和無線電研究已經(jīng)表明在爆炸達到峰值亮度后的幾周內(nèi)，新星碎片中出現(xiàn)了沖擊波，但費米的發(fā)現(xiàn)還是令人驚訝。

伽馬射線是光的最高能量形式，它的產(chǎn)生需要一個將亞原子粒子加速到極限能量的過程。當這些粒子相互作用或與其他物質(zhì)相互作用時，就產(chǎn)生伽馬射線。但是天文學家并沒有料到新星的能量足以形成伽馬射線產(chǎn)生所需的加速度。

由于伽馬射線與可見光峰值出現(xiàn)的時間差不多，所以天文學家得出結(jié)論，沖擊波在爆炸及其后果中扮演著更為重要的角色。

2015年，由紐約哥倫比亞大學的布萊恩·梅茨格領導的一篇論文揭示了如何將費米伽馬射線數(shù)據(jù)與光學觀測進行比較，從而讓科學家們了解更多有關(guān)新星沖擊波的信息。2017年，密歇根州立大學的權(quán)樂利（Kwon Lok Li）領導的一項研究發(fā)現(xiàn)，在一顆名為V5856射手座的新星中，伽馬射線和可見光輻射總體上是同步上升和下降的。這意味著沖擊波產(chǎn)生的光比白矮星本身更多。

（2017年）4月13日，星期一，《自然天文學》上發(fā)表的由艾迪領導的一篇論文中來自V906船底座的新觀測結(jié)果驚人地證實了這一結(jié)論。

2018年3月20日，俄亥俄州立大學運營的全天空自動超新星觀測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了這顆新星。到了月底，V906船底星用肉眼已經(jīng)看不見了。

幸運的是，一顆名為“布里特 多倫多”的衛(wèi)星已經(jīng)在研究這顆新星的天空。這艘微型航天器是五顆7.9英寸（20厘米）立方納米衛(wèi)星之一，它是由明亮目標探測器星座組成。加拿大、奧地利和波蘭的大學組成的聯(lián)合體運營的探測衛(wèi)星，研究明亮恒星的結(jié)構(gòu)和演化，并觀察它們與周圍環(huán)境的相互作用。

“布里特 多倫多”衛(wèi)星正在監(jiān)測一顆名為hd92063的紅巨星，它的圖像與新星的位置重疊。這顆衛(wèi)星在每98分鐘的軌道上對這顆恒星進行了16分鐘的觀測，每天返回約600次測量數(shù)據(jù)，無與倫比詳細地捕捉到了這顆新星不斷變化的亮度。

“在新星達到頂峰時，‘布里特 多倫多’衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了八個短暫的耀斑，每一個都幾乎是新星亮度的兩倍，”密歇根州立大學的基里爾·索科洛夫斯基說?！拔覀冊诘孛嬗^測中看到了這種跡象，但從未如此清楚。通常我們從地面監(jiān)測新星，觀測較少，而且經(jīng)常有很大的間隙，這有隱藏短期變化的效果?！?/span>

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衛(wèi)星觀測 by攝圖網(wǎng)

另一方面，費米幾乎錯過了這場“表演”。正常情況下，大面積望遠鏡每三小時就在整個天空中繪制伽馬射線圖。但是當新星出現(xiàn)時，費米小組正忙于解決航天器近10年的軌道運行中的第一個硬件問題——其中一塊太陽能電池板的驅(qū)動裝置停止朝一個方向移動。費米回到工作崗位時，剛好趕上了新星最后三次的耀斑。

實際上，V906 船底星在十億電子伏特或千兆電子伏特能量下的亮度至少是費米觀測到的其他新星的兩倍。為了比較，可見光的能量為約2至3電子伏特。

“比較費米和布里特的數(shù)據(jù)時，我們發(fā)現(xiàn)兩者幾乎同時出現(xiàn)耀斑，因此它們必須共享同一個震源，即快速移動的碎片中的沖擊波，”馬里蘭大學巴爾的摩縣和美國航天局位于馬里蘭州綠帶的戈達德太空飛行中心的天體物理學家藤井幸司說，“當我們仔細觀察時，有跡象表明伽馬射線中的耀斑可能導致可見光中的耀斑。自然的解釋是伽馬射線耀斑驅(qū)動了光學變化。”

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研究小組還利用美國宇航局的努斯塔太空望遠鏡觀測到了這次噴發(fā)的最后一次耀斑，這只是飛船第二次在新星的光學和伽馬射線發(fā)射過程中探測到X射線。這顆新星的GeV伽馬射線輸出遠遠超過努斯塔 X射線，這可能是因為新星噴出物吸收了大部分的X射線。來自沖擊波的高能光在新星碎片內(nèi)部以較低的能量被反復吸收和再輻射，最終只在可見光波段逃逸。

把所有的觀察結(jié)果放在一起，艾迪和他的同事描述了他們認為的V906船底座噴發(fā)時發(fā)生的事情。在爆發(fā)的最初幾天里，恒星的軌道運動把由多個氣體殼層組成的厚厚的碎片云掃成了一個甜甜圈形狀，從我們的角度看，這個形狀幾乎是邊緣狀的。云層向外擴展的速度不到130萬英里/小時（220萬公里/小時），相當于從太陽噴出的太陽風的平均速度。

接下來，一股以兩倍的速度移動的外流撞擊到了甜甜圈內(nèi)密度更大的結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生沖擊波，釋放出伽馬射線和可見光，包括前4次光學耀斑。

最后，在爆炸發(fā)生大約20天后，一股更快的外流以560萬英里/小時（900萬公里/小時）的速度撞向所有較慢的殘骸。這次碰撞產(chǎn)生了新的沖擊波以及另一輪伽馬射線和光學耀斑。新星外流很可能就是白矮星表面殘留的核聚變反應造成的。

天文學家提出用沖擊波來解釋各種短暫事件所輻射的能量，例如恒星合并、超新星（與恒星毀滅有關(guān)的更大的爆炸）和黑洞撕碎經(jīng)過的恒星時的潮汐破壞事件。布里特，費米和努斯塔對V906船底座的觀察提供了這樣一個戲劇性的記錄。而對附近新星的進一步研究將成為更好地理解沖擊波在其他更強大、更遙遠的事件中所起作用的實驗室。

費米伽馬射線太空望遠鏡是天體物理學和粒子物理的合作伙伴，它由位于馬里蘭州綠帶的美國宇航局戈達德太空飛行中心管理。費米是與美國能源部合作開發(fā)的，法國、德國、意大利、日本、瑞典和美國的學術(shù)機構(gòu)和合作伙伴都對此作出了重要貢獻。

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努斯塔是由加州理工學院領導的小型探索者任務，由噴氣推進實驗室為位于華盛頓的美國宇航局科學任務理事會管理。努斯塔是與丹麥技術(shù)大學和意大利航天局合作開發(fā)的。太空船則是由維吉尼亞州杜勒斯市軌道科學公司制造的。努斯塔的任務運行中心位于加州大學伯克利分校，官方數(shù)據(jù)檔案在美國宇航局高能天體物理科學檔案研究中心。意大利宇航局提供任務的地面站和鏡像檔案。而加州理工學院為美國宇航局管理噴氣推進實驗室。

作者: Francis Reddy

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