前沿·视点
□ 文 何锐思（Richard de Grijs） / 译 程思淼
北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。
这幅艺术家对SN 1987A的想象图揭示出了超新星遗迹中寒冷的内部区域（红色），天文学家利用ALMA在其中发现了大量的尘埃。与这一内部区域形成鲜明对比的是遗迹的外壳（蕾丝状的白色与蓝色圆环），在那里超新星爆发的能量追上恒星在爆发前抛出的气体外壳并与之发生碰撞。来源：Alexandra Angelich(NRAO/AUI/NSF)
何锐思
（Richard de Grijs）
超新星是大质量恒星短促而灿烂一生的谢幕，是宇宙中最具灾难性的事件之一。它虽然标志着恒星的死亡，却也触发新元素的诞生和新分子的形成。
1987年2月，天文学家在银河系的伴星系——大麦哲伦云中见证了一起这样的事件。之后对于那次爆发遗迹的观测，揭示了很多前所未见的细节，帮助我们更加深入地了解关于恒星死亡，以及恒星中形成的元素（如碳、氧、氮）是如何流入太空并形成新的分子和尘埃。而这些新形成的颗粒，将可能进入之后若干代的恒星和行星当中。
最近，天文学家使用位于智利的先进射电望远镜阿塔卡马大型毫米[/亚毫米]波阵（ALMA）直探这颗超新星SN 1987A的心脏。ALMA观测精密细节的能力，帮助研究者绘制出了超新星遗迹中新形成的分子的复杂三维分布。研究者还发现了多种之前没有测出的分子。
“30年前这颗超新星爆发时，天文学家对爆发如何重塑星际空间以及爆发产生的炽热且不断向外扩展的碎片会如何最终冷却下来并产生新的分子，都知之甚少。”弗吉尼亚大学和美国国家射电天文台（NRAO）的天文学家雷米·因戴贝托（Rémy Indebetouw）说。
“多亏了ALMA，我们终于能在寒冷的‘恒星尘埃’形成之际看到它们，并对其前身恒星本身，和超新星创造出组成行星的基本材料的方式，做出重要的观察。”
天文学家在目前正在进行的SN 1987A研究之前，关于超新星对其周围星际环境的影响能说出的内容不多。
那时人们很清楚的是，10倍太阳质量以上的大质量恒星，会以壮丽的方式结束自己的生命。当燃料耗尽时，它们不再有足够的热和能量来抵抗自身的引力。之前靠核聚变产生的能量支撑住的恒星外层，就会在强大的引力作用下向核心坍塌。坍塌在核心处遇到反弹，就引起了一场将大量物质抛入太空的大爆发。
而现在科学家已经知道，作为大质量恒星生命的最后阶段，超新星对其母星系有着广泛的影响。
“一些星系之所以呈现出今天的样子，很大程度上是由于它们当中出现的超新星。”因戴贝托说。“尽管只有不到10%的恒星会成为超新星，它们却是星系演化的关键。”
ALMA观测到的超新星SN 1987A的遗迹。紫色指示出SiO分子发射区，黄色指示CO分子。外面蓝绿色的环是将哈勃太空望远镜的数据3D可视化处理后得到的。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); R.Indebetouw; NASA/ESA Hubble Space Telescope
在整个可观测的宇宙中，超新星是非常普遍的，但是由于它们在一个银河系大小的星系中平均每50年才出现一次，天文学家很难有机会对一颗超新星，从它开始增亮直到最后冷却到足以产生新分子的全过程进行研究。虽然SN 1987A并不在我们的银河系中，但它离我们很近，足够ALMA和其他望远镜对它进行相当细致的研究。
几十年来，人们通过射电、光学、甚至X射线的观测研究了SN 1987A，但是遗迹中的尘埃遮挡使分析超新星心脏地带的工作变得十分困难。而ALMA能够在毫米波段（波长介于射电波与红外线之间的电磁波）进行观测，这使透过中间的尘埃看到内部成为可能。
于是，研究者就能够对新形成的分子的丰度和位置进行研究，尤其是其中的一氧化硅（SiO）和一氧化碳（CO），因为它们在亚毫米波段有明亮的辐射，正好能够被ALMA观测到。
ALMA新获得的图像和动画显示，在位于SN 1987A核心的一些分散但相互纠缠的块状区域中，一氧化硅与一氧化碳储量巨大。科学家之前模拟了这些分子将如何以及在哪里产生。借助ALMA，研究者终于能获得足够精度的图像来确认超新星遗迹中的这些结构，并对之前的模型进行验证。
除了获得SN 1987A的（静态）三维图像之外，ALMA的数据还揭示出它的物理条件始终在变化的有力证据。这些观测为超新星内部物理不稳定性的研究提供了新的洞见。
ALMA早先的观测证实，SN 1987A产生了大量的尘埃。而新的观测则为这些尘埃是如何产生的以及遗迹中分子的类型提供了更多细节。
“我们的目标之一，是在SN 1987A中对其他分子进行不加选择的搜索。”因戴贝托说。“我们预料到了一氧化硅和一氧化碳，因为我们之前探测到过这些分子。”
不过，他们惊喜地发现了之前从未探测到的甲酰基阳离子（HCO+）和一氧化硫（SO）分子。
“这些分子之前从未在年轻的超新星遗迹中被发现过。”因戴贝托说。“HCO+尤其有趣，因为它们的形成需要爆发时特别有力的混合。（指要将最轻的氢混进重得多的碳-氧层去——译注）”
恒星中不同的元素是在相互分开、像洋葱一样的结构中形成的。当一颗恒星爆发为超新星，这些壳层就剧烈地混合起来，创造出一种有利于形成分子和尘埃的环境。
天文学家估计，超新星爆发所产生的硅原子，大约有千分之一在目前发现的游离一氧化硅分子中，而绝大多数硅原子则已经结合成为尘埃。就是现在发现的这少量的一氧化硅分子，也超出了尘埃形成模型所预言的一百倍。
以前人们认为，如此大规模的超新星爆发，足以完全摧毁一切已经存在的分子和尘埃。
不过，这些意料之外发现的分子表明，恒星的爆发式死亡在极低的温度下也可以带来分子云和尘埃云。这与在恒星形成的摇篮中发生的情况非常相似。
超新星SN 1987A的合成图像。ALMA的数据（红色）显示了遗迹中心新形成的尘埃，哈勃太空望远镜（绿色）和钱德拉X射线天文台（蓝色）的数据则显示出不断扩张的激波面。来源：Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA Hubble; NASA Chandra
左图是由NASA斯皮策空间望远镜拍摄的猫爪星云的红外图像。ALMA在这个星云中发现了一颗正在经历爆发式成长的婴儿期恒星。右图是ALMA获得的原恒星团NGC 6334I中滚滚尘埃的图像。它比之前增亮了一百倍，并且重塑了周围的恒星摇篮。该原恒星团中的一颗恒星正经历一次强烈的爆发式成长。这很有可能是由于大量的物质一次性落到了它的表面造成的。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Hunter; C. Brogan, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); GLIMPSE, NASA/JPL-Caltech)
这些新的观测将帮助天文学家修正他们的模型。他们还发现，现在遗迹中至少10%的碳原子是以一氧化碳分子的形式出现的，只有百万分之几是HCO+的形式。
英国卡迪夫大学的松浦美香子博士（Dr. Mikako Matsuura）表示：“这是我们第一次在超新星中发现这种分子。它挑战了我们以前一度持有的，超新星爆发会摧毁恒星中一切分子和尘埃的想法。”
“我们的结果表明，当来自超新星的气体冷却到200℃以下，很多形成的重元素就会开始大量地结合成分子。这就形成了一座尘埃工厂。”
“最令人惊讶的是，这些分子工厂通常出现在恒星诞生的环境里。因此，大质量恒星的死亡有可能导致新一代恒星的诞生。”
ALMA正迅速成为能同时研究恒星形成的早期阶段与恒星死亡细节的观测利器。与超新星爆发式的死亡类似，恒星的诞生也可能是一场激烈的、爆发性的事件。
一颗深藏在充满尘埃的摇篮中的大质量原恒星，最近发出了第一声啼哭，突然增亮近一百倍。这场看来是由星云气体坠向恒星所引起的爆发，支持了认为年轻恒星会经历强烈的爆发式成长，并且重塑周围环境的理论。
天文学家是通过比较ALMA的最新观测与位于夏威夷的亚毫米波望远镜阵（SMA）之前的观测结果而做出这一发现的。
“我们非常幸运地探测到了这颗年轻大质量恒星的华丽变身。”NRAO的托德·洪特（Todd Hunter）说。“通过用ALMA和SMA研究同一片密集的恒星形成云，我们得以看出那里发生的一些急速而剧烈的变化。它们在短得惊人的时间内完全改变了周围的恒星摇篮区。”
SMA的观测展现出一个典型的原恒星团的样子：一片密集的、包含尘埃和气体的云中，孕育着几颗仍在成长的恒星。当某一块气体的密度达到临界值，它就会在自身引力的作用下向内坍塌，年轻的恒星就在这片重重包裹着的区域形成。之后，在这颗新生恒星的周围会形成由气体和尘埃组成的盘，通过一个漏斗形的管道将物质引导到恒星的表面，使恒星继续成长。
2015年与2016年ALMA的新观测揭示了，在之前SMA的观测之后，这个原恒星团的某个部分出现了戏剧性的变化。现在，这个区域在毫米波段的亮度大约是之前的四倍，这就意味着，位于中心的原恒星的亮度是之前的近一百倍。
天文学家怀疑，这场爆发是由于一大块物质被吸进了原恒星的吸积盘而形成了栓塞，当这块栓塞物积累得足够大，它就爆发，将物质一次性喷到原恒星表面。这种极端的吸积事件极大地增加了恒星的亮度，并且加热了ALMA观测到的那些周围的尘埃。
“这些观测为认为恒星的形成是由一系列剧烈的事件所造就，而非平缓持续地成长起来的理论增加了证据。”洪特总结说，“这也告诉我们，在射电和毫米波段监视年轻恒星是很重要的，因为这些波段能让我们看到那些最年轻的、深藏在里面的恒星形成区。”
比较两架毫米波望远镜（ALMA和SMA）的观测结果，天文学家注意到这片恒星形成云中的一次大规模的爆发。由于ALMA更为灵敏，成像的细节也更好，可以用它来模拟SMA在2015年和2016年会看到的情景。然后从模拟得到的图像中减去SMA之前的图像，天文学家就能看出，MM1发生了显著的变化，而另外三个毫米波射电源（MM2、MM3、MM4）则保持不变。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); SMA, Harvard/Smithsonian CfA
ALMA强大威力的又一例证出现在今年四月。大约500年前，两颗尚未成熟的原恒星发生了一次罕见的亲密接触，所引起的爆发将周围的恒星摇篮四散炸开。今年上半年，天文学家用ALMA检视这些已经完全散开的碎片，获得了对这两颗同胞恒星之间曾发生的暴力关系的新观察。
猎户座分子云1号（OMC-1）是一个密集而活跃的恒星工厂。它位于猎户座大星云的后方，距地球约1500光年。在大约10万年前进入形成期后不久，其中的几颗原恒星在引力的作用下相互纠缠，并且逐渐接近。
最终，其中的两颗也许是相互剐蹭，也许是相互碰撞，由此引发了一次大喷发，把附近的其他原恒星和数百条包含尘埃和气体的喷流以超过150千米每秒的速度抛向星际空间。这场大喷发释放的能量相当于太阳在一千万年中释放的总和。
猎户座OMC-1星云的合成图像，显示出恒星诞生的过程中有时会发生爆发。这次爆发发生在大约500年前，数颗年轻恒星在那时被抛出这一区域。ALMA数据中的颜色表示CO气体在毫米波段发出辐射的相对多普勒频移。叠加在ALMA图像上的是南双子座望远镜拍摄的近红外图像，它显示了爆发产生的激波。来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bally; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); Gemini Observatory/AURA
现在，我们能够从地球上看到这场壮丽爆发的余迹了。
“我们在这个一度平静的恒星摇篮里看到的，是一场宇宙版7月4日烟火秀。巨大的喷流向四面八方发射出去。”美国科罗拉多大学的约翰·巴利（John Bally）把这一景象与每年7月4日美国庆祝独立日的情景相比。
像在OMC-1中这样的成群恒星，是由一团质量超过太阳数百倍的气体在自身引力的作用下塌缩而形成的。原恒星在星云最致密的地方形成，并随机地漂移。随着时间的推移，这种随机运动逐渐减弱，一些恒星开始落向彼此共同的引力中心。这个引力中心处通常会有一颗质量特别大的原恒星。
如果这些恒星在通过随机漂移进入星系（即离开母星云）之前走得太近，它们之间就会发生剧烈的相互作用。根据巴利团队的研究，这种爆发的时间很短，如ALMA所见的遗迹只会存在几百年。
“虽然转瞬即逝，原恒星的爆发可能还是相当普遍的。”巴利说。“而且正如我们在OMC-1这里看到的，这类爆发还可能通过摧毁恒星的母星云，调节巨型分子云中恒星形成的步伐。”
巴利和他的团队之前用位于智利的南双子座望远镜观测到了这一特征。这些之前在近红外波段拍摄的图像揭示了首尾距离长达一光年的喷流结构。
2009年，他们用SMA第一次发现了揭示这一喷流是源于爆发的线索。而ALMA的新观测则提供了高得多的清晰度，揭示出喷流中关于CO分子分布与高速运动的重要细节。这有助于天文学家认识爆发背后隐藏的力量，以及在银河系的恒星形成过程中发生这类事件所产生的影响。
“人们更多地会把爆发与老年恒星联系起来，譬如在一颗衰老的恒星表面发生的‘新星’爆发，或是更加壮观的、极大质量恒星的超新星式死亡。”巴利说，“ALMA则在恒星演化周期的另一端，在恒星的诞生处，为我们提供了关于爆发的新洞见。”
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