天文学家艾德·沙雅（Ed Shaya）正在自己的办公室检视NASA的开普勒空间望远镜2012年的数据。此时，他注意到一些不寻常的东西：从一个星系发出的光很快地变亮了10%。如此突然的亮度增加让沙雅立马激动了起来，但也令他不安。这个效应可以用恒星的剧烈爆发——超新星来解释；或者是更加恼人的可能——一个电脑错误。
“我只记得在那一天，我不知道该不该相信这个发现。”他回忆说。他没有立马庆祝，而是想，“我误判了吗？我是不是全都做错了？”
快速演化明亮暂现超新星
这段动画展示了一种叫做“快速演化明亮暂现源”的恒星爆发现象。在这种情况下，一颗巨星在爆炸为超新星前一年左右“打嗝”抛出一个气体尘埃壳。当超新星触碰到先前喷发的物质时，它的大部分能量都转化为了光，结果就是产生一段短暂而明亮的暴发辐射。
Credits: NASA/JPL-Caltech
恒星的爆发锻造并散播了组成我们所生活世界的物质，并且为探究宇宙膨胀的速度提供了线索。通过了解超新星，科学家可以解锁众多谜团，它们是了解我们由何组成、以及宇宙最终命运的关键。但是，为了得到完整的图像，科学家必须从各种不同的视点观测超新星，尤其是在爆发的第一时间。这非常困难——没有人知道接下来何时何地会发生超新星爆发。
包括沙雅在内的一小组天文学家意识到，开普勒望远镜能够为搜寻超新星提供一种新的技术。开普勒发射于2009年，其最有名的工作是发现了数千个系外行星。但是当一台望远镜长时间注视空间中的单片区域时，它可以捕获到其他宇宙现象的宝箱——尤其是像超新星那种迅速变化、突然出没于视线中的现象。
“开普勒开启了一种观察天空的新方式。”开普勒项目科学家杰西·多特森（Jessie Dotson）说。她是位于加州硅谷的NASA埃姆斯研究中心开普勒项目的科学家。“开普勒望远镜的设计目标是将一件事情做到最好，那就是寻找其他恒星周围的行星。为了做到这点，它必须发送高精度的连续数据，这样的数据对于天文学的其他领域也极具价值。”
原本，沙雅和同事正在他们的开普勒数据中寻找活动星系核。活动星系核是星系中心的一个极端明亮的区域，在那里，一个贪吃的黑洞被一个炽热气体盘所包围。他们也曾想过用这些数据搜寻超新星，但是由于超新星实在罕见，他们在项目方案中并未提及这一点。“（搜寻超新星的）不确定因素太多了。”沙雅说。
由于沙雅不确定自己找到的超新星信号是真的，他和马里兰大学的同事罗伯特·欧灵（Robert Olling）花费了数月时间开发软件，以更好地对开普勒数据进行定标。他们的新软件将温度变化和仪器指向都考虑在内。对数据进行新的处理后，超新星信号仍然存在。事实上，他们在拥有超过400个星系的开普勒样本中又发现了5个超新星。当欧灵将其中一个信号展示给巴尔的摩空间望远镜研研究所的天文学家阿尔敏·雷斯特（Armin Rest）时，雷斯特吃惊不已。“我简直惊呆了。”他说。对于追踪和理解恒星爆发而言，一种新方法的大门打开了。
现在，这些天文学家是开普勒河外巡天（Kepler Extra-Galactic Survey）的成员。这项巡天计划是美国、澳大利亚和智利的7位天文学家搜寻超新星和活动星系核的合作项目，有助于探究我们的宇宙的物理学。到目前为止，他们已经使用开普勒望远镜发现了超过20个超新星，包括一个雷斯特在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上报告的奇异型超新星。
“我们有一些被研究得最透彻的超新星。”布拉德·塔克（Brad Tucker）说。塔克是澳大利亚国立大学斯特朗洛山天文台的天文学家，他也是开普勒河外巡天项目的成员。
这段动画展示了一颗白矮星的爆发。白矮星是恒星不再能进行核燃烧后的极致密残骸。在这种“Ia型”超新星中，白矮星的引力将一颗临近伴星的物质偷取过来。当白矮星质量上升到目前太阳质量的大约1.4倍时，它将无法支撑自身的重量，继而发生爆炸。
Credits: NASA/JPL-Caltech
我们为何关心超新星？
恒星如何和为何以不同的方式爆发，是天体物理学中一个存在良久的谜团。一种超新星发生于致密的死亡恒星——白矮星爆发的时候。第二种超新星发生于单个巨大恒星生命接近终点的时候，此时它的核心再也无法承受作用于其上的引力。这些大致类型的细节仍然在研究当中。
第一种“Ia型”（读作“壹A型”）十分特别，因为这类中的每一个超新星的本征亮度几乎都一样。天文学家使用这种标准的特性来测量宇宙的膨胀，并且发现超新星越远，则比预期的更暗。这表明它们比科学家之前想的更加遥远，因为光线走的路程随着宇宙的膨胀也被拉长了。这些结果证明了宇宙正在加速膨胀，研究人员因此获得了2011年的诺贝尔物理学奖。最主流的理论是，一种叫做“暗能量”的神秘力量将宇宙中的所有东西和其他东西分开，并且越来越快。
但是，随着天文学家找到越来越多的Ia型超新星爆发（包括使用开普勒），他们意识到不是所有Ia型超新星都具有相同的起源。有些Ia型超新星产生于白矮星掠夺了过多伴星的物质，而其他的则是两个白矮星并合的结果。事实上，白矮星并合可能更为普遍。使用开普勒进行的更多超新星研究将帮助天文学家回答这一问题：不同的Ia型超新星爆发机制是否会产生一些亮于其他的超新星。这将对于使用超新星测量宇宙的膨胀大有裨益。
“为了获得限制暗能量的更好的方法，我们必须对这些Ia型超新星的形成方式有更深的了解。”雷斯特说。
白矮星并合产生的Ia型超新星
这段动画展示了两个白矮星的并合。白矮星是恒星不再能进行核燃烧后的极致密残骸。白矮星并合是“Ia型”超新星发生的另一种方式。
Credits: NASA/JPL-Caltech
另一种超新星，即“核心坍缩”型，发生于大质量恒星以爆炸结束生命之时。这当中包括“II型”超新星。这些超新星具有特征性的激波——“激波暴”，开普勒望远镜首次在光学波段观测到了这种激波。开普勒河外巡天团队由位于印第安纳的圣母大学天体物理学教授皮特·加纳维奇（Peter Garnavich）领导；团队从2011年的开普勒数据中发现了来自超新星KSN 2011d的激波暴，KSN2011d爆发自一颗大约500倍太阳大小的恒星。令人惊讶的是，团队并没有在一个更小的II型超新星KSN 2011a中找到激波暴，而是发现该超新星依偎在尘埃层中；该超新星爆发自一颗300倍太阳大小的恒星。这样的差异显示，II型超新星爆发也存在多样性。
开普勒的数据还揭示了关于超新星的其他秘密。雷斯特领导的在《自然·天文学》刊发的新研究描述了从开普勒的扩展任务K2获取的数据中找到的一颗超新星，在仅仅两天多的时间内达到峰值亮度，比其他超新星所用时间短了10倍。这是已知的“快速演化明亮暂现”（FELT）超新星中最为极端的一个。FELT超新星和Ia型超新星差不多一样亮，但是前者在不到10天时间中急剧变亮，并在30天内黯淡下去。FELT超新星的前身恒星有可能在爆发前1年向外抛出了一个致密气体壳，当爆发发生时，喷发物质冲击到气体壳上。这个撞击过程中释放的能量就能解释迅速增亮的现象。
为什么使用开普勒？
地球上的望远镜提供了关于爆发恒星的许多信息，但是只能持续一小段时间，而且只能在日落天清之后才能观测，因此难以记录这些爆发前后的效应。开普勒望远镜则不同，它为天文学家提供了持续数月观测天空中单片区域的罕见机会，就像一直工作的行车记录仪一样。事实上，最初的开普勒任务从2009年运行至2013年，使用4年时间观测同一片天区，每隔30分钟拍摄一张照片。在其扩展的K2阶段任务中，望远镜连续3个月都会持续稳定地注视一个方向。
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这段动画展示了一颗巨大的恒星发生的“核心坍缩”超新星爆发。随着恒星内部原子的“燃烧”，恒星最终将无法支撑自身重量。引力促使恒星向自己坍缩。核心坍缩超新星，依据其显现的化学元素的不同，被分为Ib、Ic和II型。
Credits: NASA/JPL-Caltech
借助地基望远镜，天文学家可以得到超新星的颜色，以及颜色随时间的变化，这使他们可以搞清楚爆发中出现了哪些化学物质。超新星的成分可以帮助确定其前身星 的类型。另一方面，开普勒望远镜揭示了恒星爆发的机制和原因，以及爆发推进的细节。结合使用这两部分数据，天文学家可以得到超新星行为的比以往更完整的图像。
开普勒任务的计划者在2013年复苏了望远镜，那是在它的四个反作用轮的第二个发生故障之后。反作用轮是帮助控制飞行器方向的硬件。在K2的配置中，它需要大约每三个月旋转一次，这标记了观测计划。开普勒地外巡天的成员确保了在K2任务中，除了系外行星，开普勒仍可以监测超新星和其他奇特的、遥远的天体。
由@傅煜铭 翻译制图
Credit：NASA
开普勒团队设计的K2观测计划对于协调地基望远镜进行超新星研究十分有用，这一点非常令人激动。16号计划开始于2017年12月7日，结束于2018年2月25日，包括了9000个星系。17号计划中有大约14000个星系，最近刚刚开始。在这两项观测中，开普勒都朝向地球方向，这样一来，地球上的观测者就可以看到飞行器观察的同一片天区。观测计划令从这种天地望远镜协同中受益的研究人员们兴奋不已。
一个最近的发现让天文学家们在今年“超级杯”大赛（美国两大美式橄榄球联盟冠军队之间的年度总决赛）的星期天“躁”了起来，虽然他们并没有参赛。在那个“超级”的日子，全天自动化超新星巡天（ASASSN）报告了开普勒望远镜正在监测的同一个近邻星系中的超新星。这是天文学家们激动于后续观测的众多候选事件之一。通过持续监测它们，我们可能会更好地认识宇宙的秘密。
一些新的超新星可能会来自NASA的暂现系外行星巡天卫星（TESS），原计划于4月16日发射。同时，一旦科学家收到K2的聚焦超新星观测计划的完整数据，他们又会面临很多工作了。
“这将是未来几年超新星信息的宝库。”塔克说。埃姆斯中心管理NASA科学任务局的开普勒和K2任务。 NASA位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室管理开普勒任务的开发。 Ball Aerospace＆Technologies公司在博尔德科罗拉多大学的大气与空间物理实验室的支持下运行飞行系统。
来源：www.nasa.gov
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