宇宙中每 10 秒鐘就會有一顆恆星爆炸。這些超新星中只有一小部分（每年大約幾百顆）的光線到達地球，供天文學家仔細研究。研究超新星對於更深入地瞭解宇宙至關重要，因為它們噴射出的輻射、塵埃和氣體有助於塑造星系，形成新的恆星和行星，並用重元素豐富宇宙。但大多數超新星都非常遙遠，以至於我們只能透過少數來之不易的光子來猜測它們的精確恆星起源，從而拼湊出它們劃時代出現的零星片段。然而，今年早些時候，天文學家觀測到一顆超新星爆發，距離地球僅 2100 萬光年——在可觀測宇宙 940 億光年的寬度中可謂近在咫尺——使其成為十年來在地球上觀測到的最近的超新星之一。由於這顆恆星距離我們很近，天文學家現在能夠詳盡地拼湊出它生命的最後幾天，並對這些天體物理災難如何發生以及如何塑造浩瀚的宇宙有了新的認識。
日本業餘天文學家板垣公一於 5 月 19 日率先觀測到這顆超新星，即 SN 2023ixf。幾乎立刻，專業觀測人員迅速採取行動。“整個超新星觀測界都儘可能快地投入其中，”亞利桑那大學的格里芬·侯賽因扎德說，他們使用了哈勃太空望遠鏡、位於夏威夷的國際雙子座天文臺和位於加利福尼亞的裡克天文臺等設施。很快，他們就確定了這顆超新星位於風車星系（也稱為 M101）內的某個位置。接下來，首要任務之一是尋找實際爆炸的恆星，這對於超新星來說是相當罕見的。幸運的是，英格蘭中央蘭開夏大學的喬安妮·普萊傑此前曾作為博士後研究員花費時間研究 M101。“我們有使用哈勃太空望遠鏡的時間，”她說。透過放大星系的新影像和存檔影像中超新星的位置，普萊傑成功地識別出了導致超新星的恆星。“這是一個巨大的進步，”她說。“那裡已經有大量的資料了。”
普萊傑的發現證實，造成超新星的恆星是一顆紅超巨星。這類恆星是宇宙中最大的恆星之一，半徑可達太陽的 1500 倍，質量可達太陽的 40 倍。但 2023ixf 的恆星並沒有那麼巨大。據認為，它的半徑只有太陽的420 倍，質量約為太陽的 10 倍。這與天文學家最初將該事件識別為所謂的 II 型超新星相符，在這種超新星中，一顆大質量恆星耗盡了其核燃料，自身坍縮，並在其外層從其堅固的核心反彈後爆炸性地噴射出去，留下了一顆中子星或一個黑洞。這類恆星在晚年可能會變得臃腫，並在作為超新星爆發之前，從其外層大氣中吹走殘留的氣體和塵埃殼層。當超新星向外膨脹並撞擊到這些星周物質時，天文學家團隊能夠探測到 2023ixf 的星周物質，從而產生了明顯的衝擊波。“這不是我們第一次看到這種情況發生，”侯賽因扎德說。“但細節從未如此清晰。”
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在超新星被發現後的兩週內，加州大學伯克利分校的韋恩·雅各布森-加蘭和他的同事看到了明確的證據，證明“超新星衝擊波撞擊到這個緻密的殼層，”他說。他們根據這些觀測估計，這顆恆星在爆炸前的幾年裡損失了不到 1% 的質量。雅各布森-加蘭說，雖然這個量看起來很小，但“比我們對紅超巨星的預期要多”。“這可能表明我們對紅超巨星在爆炸前最後幾年的演化和死亡方式知之甚少。”
這種後續工作正在揭示更多關於這些事件如何豐富星系的資訊。“它告訴我們恆星如何失去質量，這對星系的演化方式有很大的影響，”亞利桑那大學的阿扎莉·博斯特羅姆說，她曾與人合著了多篇關於 2023ixf 的研究報告。“它還告訴我們一些關於哪些恆星以哪種型別的超新星形式爆炸的資訊。”反過來，它可能會揭示超新星本身的動力學——我們看到的能量是完全來自爆炸，還是部分來自超新星衝擊波對周圍碎屑的影響。“所有這些都與恆星爆炸時剩餘的物質多少有關，”博斯特羅姆說。
此前也有一些爭論，即這種噴射出的物質會在恆星周圍形成一個球體，還是會形成某種更不對稱的形狀。2023ixf 的結果表明是後者，這標誌著科學家們首次詳細瞭解了超新星衝擊波與周圍星周物質之間快速演化的相互作用。“我們認為，這些物質很可能呈盤狀結構，”同樣在加州大學伯克利分校的謝爾蓋·瓦西里耶夫說。超新星的噴射物在撞擊這個盤時呈“沙漏形”膨脹。這可能表明，II 型超新星演化的多樣性有一個令人驚訝的來源，即碎屑盤相對於其爆炸宿主恆星的不同方向。“它告訴你，這些事件是多種多樣的，”瓦西里耶夫說。
先前觀測揭示的這顆恆星的另一個有趣特徵是，它一直在脈動——大小變化幅度很大。眾所周知，紅超巨星會在其生命的最後階段發展出這種脈動。但直到現在，在隨後作為超新星爆炸的母星中，還從未觀察到這種情況。美國國家科學基金會國家光學-紅外天文研究實驗室 (NOIRLab) 的莫妮卡·索賴薩姆和她的同事表明，這顆恆星的亮度經歷了劇烈的振盪，並在大約 1000 天的時間裡反覆膨脹和收縮，幅度約為 50%，然後在最後一次向特別膨脹狀態擺動時像一個充氣過度的氣球一樣爆炸。
脈動和超新星被認為沒有直接聯絡。索賴薩姆說，前者是由一種“完全不同的”機制引起的，即恆星大氣層中能量流的不穩定性。然而，這種不穩定性仍然知之甚少，這使得可能確實存在某種聯絡——這正是可能幫助研究人員預測其他紅超巨星何時會爆炸的那種情況。（例如，獵戶座中的紅超巨星參宿四近年來一直在脈動。天體物理學家認為這是最終超新星爆發的一個陰暗預兆，但目前，他們估計這樣的事件可能仍然會在未來 10 萬年內發生。）“這就是 2023ixf 的耐人尋味之處，”索賴薩姆說。“非常接近爆炸時，我們仍然看到非常規律的變化。”
超新星 2023ixf 的確切“型別”仍然需要進一步確定。最初，它被歸類為富氫 II 型超新星的一個子類，稱為 II-P 型，在這種超新星中，超新星餘輝的衰退會暫停一段時間（P 代表“平臺期”），然後再繼續墜入黑暗。天文學家現在認為，它實際上是 II-L 型（或“線性”）爆炸，其亮度下降更為穩定。“通常，在大約 40 天內，你應該會看到平臺期，”英格蘭業餘天文學家伊恩·夏普說，他也是提出 2023ixf 是線性的著作的合著者。“我們沒有看到任何證據表明它進入平臺期。所以我們認為它是 L 型。”然而，產生這兩種不同型別超新星的確切機制尚不清楚。“‘我們不知道’是簡短的回答，”博斯特羅姆說。她說，P 型和 L 型之間的區別可能取決於一顆垂死的恆星在爆炸性死亡之前設法保留了多少氫外層。“質量損失越多，氫包層就越小——衰退可能就越陡峭或更線性，”她說。
超新星 2023ixf 可能會為這個問題提供一些急需的答案，以及關於紅超巨星如何坍縮並最終爆炸的其他細節。“我們可以真正檢驗我們的圖景是否從頭到尾都成立，”博斯特羅姆說。除非在我們自己的星系中看到超新星——這是每位現代天文學家都充滿希望但尚未實現的夢想——否則，在風車星系中看到的這場短暫而明亮的奇觀，可能是未來許多年裡檢驗 II 型超新星的當代模型，並更好地瞭解宇宙中釋放的創造性破壞力的最佳機會。“這項研究的細節和精度都非常高，”雅各布森-加蘭說。“它真的將成為 21 世紀研究得最好的超新星之一。”
編者注（2023 年 8 月 29 日）：本文在釋出後經過編輯，以更正對超新星 SN 2023ixf 及其研究的描述。
本文的一個版本，標題為“Out with a Bang”，已改編收錄在 2023 年 10 月號的《大眾科學》雜誌中。