整个银河系的恒星都在死亡——为什么我们看不到它们?

人类记录了五次附近的超新星爆发。但我们可能错过了一些。
The Kepler supernova was spotted in 1604. Four centuries later, material from the explosion is still expanding outward at more than 20 million miles per hour.
开普勒超新星于1604年被发现。四百年后,爆炸产生的物质仍在以每小时2000多万英里的速度向外膨胀。NASA/CXC/德克萨斯大学阿灵顿分校/M. Millard et al.

1054年7月4日,金牛座的一颗恒星爆炸了。在大约6500光年外,后来被称为新墨西哥州的某山谷里的居民注意到了这一现象。他们在避风的峭壁上绘制了这绚烂的天体烟火——其光芒很可能比金星还要耀眼。详细的中国古代关于这颗“客星”的记录表明,它白天可见超过三周,夜晚可见近两年。

天文学家估计,在过去的一千年里,我们的银河系可能爆发了50颗恒星——大约每二十年一次。但1054年的超新星只是研究人员在历史记录中确信无疑的五次恒星爆发之一,最近一次发生在400多年前。那么,所有的超新星都去哪儿了?我们的“天体烟火”又在哪里?

这种差异令人着迷,一组天文学家最近探讨了观测超新星的难度以及在天空中最有可能观测到它们的位置。在一篇尚未经过同行评审的预印本周一发布在arXiv上的文章中,他们公布了一个奇怪的结果。虽然超新星的总数大致吻合,但它们出现的位置却完全不对。

“我简直惊呆了,”伊利诺伊大学天文学家、该研究的合著者Brian Fields说。“所有确凿无疑的(超新星)都完全避开了模型预测的位置。”

该团队,包括本科研究员Tanner Murphey和Jacob Hogan,基于其他研究人员对银河系中超新星最可能发生的位置进行的分析展开工作。他们将银河系类比为两个蛋黄朝外的叠在一起的煎蛋;它有一个扁平的盘状结构(我们将其侧视,如同横跨天空的星河)中间有一个圆形的核。超新星在恒星,尤其是即将爆发的膨胀的红巨星密集聚集的中心区域应该更常见。之前的计算表明,每隔几十年,就会有一颗恒星在核或盘状结构中死亡。

但并非所有爆炸都能引起观星者的注意。前几代恒星喷发出的尘埃使得整个银河系——尤其是中心区域——看起来朦胧不清,而位于盘状结构另一侧的超新星可能很难从地球观测到。而且,要进入历史记录,一颗超新星不仅要可见,而且用Fields的话说,要“非去不可,要告诉皇帝”才行。该团队估计,大约只有五分之一的超新星足够明亮,能够穿透尘埃的弥漫,并且持续燃烧90天,这意味着这种戏剧性的事件可能每隔一两个世纪发生一次——这与历史记录大致吻合。

最终结果是一张地图,显示了天空中最亮的超新星最有可能发生的位置,这张地图并不复杂。它大致描绘了天文学家已知的约300个恒星残骸团块的位置,主要集中在银河系的盘状结构,尤其是靠近银河系中心的位置。

但那并不是历史上的天文学家观测到短暂星光爆发的地方,它们爆发在盘状结构的上方和下方。值得注意的是,1054年的超新星留下的碎片云恰恰位于完全相反的方向——在我们身后,远离银河系中心。“那是我们模型中最不被看好的地方,但那却是最著名的超新星所在之处,”Fields说。“这让我感到非常惊讶。”

由于记录下来的事件数量很少,该团队无法做出强烈的统计学声明。但他们怀疑,历史超新星的奇特位置削弱了他们的一项或多项假设。例如,将银河系视为两个煎蛋并不是最精细的模型。它忽略了恒星聚集形成的旋臂,该团队希望在未来的研究中考虑这一点。

该团队的研究结果也凸显了历史记录中的一个空白。所有观测记录都来自北半球的文明,尽管南美洲、非洲和澳大利亚的观星者可以更清晰地看到银河系的盘状结构——这是观测恒星爆发的“前排座位”。也许,1054年超新星和其他事件的印加壁画就埋藏在秘鲁亚马逊地区。

路易斯安那州立大学天文学家Bradley Schaefer(未参与此项研究)在一封电子邮件中表示,该团队做了出色的工作,创建了一张可信的天空地图,与之前的研究结果一致。不过,鉴于五次历史超新星的数量很少且缺乏已知的南半球记录,他并不太担心它们奇特的位置。

对这种历史天文学的兴趣很大程度上在于理解古代文化如何看待星星,但旧的数据集也能带来新的科学。许多恒星残骸的现场仍然像膨胀的星云一样炽热,确定它们的年份甚至日期可以帮助天文学家重建它们的历史,Fields说。

研究人员也思考过去是为了准备未来。当下一场银河系超新星爆发时——无论是一年还是一个世纪——天文学家们肯定不会错过。中微子探测器在1987年探测到了邻近星系的一次超新星爆发,如果类似的事情发生在我们的宇宙邻近区域,Fields说,它们会“像圣诞树一样”亮起来。

今天的研究人员可能不会在意一颗本地恒星是否爆炸,但他们会迅速通知彼此,协调观测中微子、引力波以及各种波长的光,将即使是微弱的闪光变成人类历史上理解最透彻的超新星。

而且,我们很可能也能用肉眼看到它。一次明亮而持久的超新星爆发可能是几百年才发生一次的事件,但我们会拥有天文学家和互联网来引导我们的目光看向一个更暗淡的光点。Fields在新工作中估计,如果我们知道往哪里看,大约一半的超新星可能勉强可见。而其中一次可能随时发生。

“如果能亲眼见证一次银河系超新星爆发,那将是极其非凡的,”他说。“你只需要等待,它就会或多或少地凭空出现。”

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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