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一颗星星的死亡(Bhattacharjee 2013)  

2013-01-31 17:45:04|  分类: 星空和人 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Science, 339: 2224, 4 January 2013

新闻焦点(News Focus

一颗星星的死亡(Death of a Star

尤迪基特·巴塔查尔吉(Yudhijit Bhattacharjee

《科学》杂志特约撰稿人

 

一颗近距超新星的发现使得天体物理学家能够更深入地了解一类恒星的爆发。与这一成功一起到来的是一场意外的悲剧。

 

一颗星星的死亡(Bhattacharjee 2013) - wangjj586 - 星海微萤

 

明亮火光。超新星 SN 2011fe右上方最明亮的蓝白色星星),2011 8 月第一次检测到,是历史上最深入地研究过的超新星之一。

 

2011 8 24 日早晨,彼得·纽金特(Peter Nugent)开车去上班,他那时候还一点都想不到,在宇宙中遥远的地方发生的一次恒星的爆发现象,会花去他随后的好多个星期的时间。他走进位于美国加利福尼亚州奥克兰市的国家能源研究科学计算中心,他停住脚步,观看新闻增值网络服务,那里面报道的是人们反对关闭湾区捷运系统手机服务的抗议。纽金特虽是一位理论天体物理学家,但当他突然来到一个大厅里时,人们很可能会把他误认为是一名足球运动员,不过他当时已经把自己的注意力转到了远离尘世的事情上,一头埋进了超凡脱俗的对天体物理学的追索之中。

那天早上,他有一项紧迫的任务:修改一个数字计算流程的小错误,这个流程要把一些帕洛玛山 1.2 米直径的巡天望远镜拍摄的天文图像输入到国家能源研究科学计算中心的计算机中。这个流程在前一天晚上已经出错,致使数以千计的图像等着上传到数据库中,以便在那里用专门设计的软件对它们进行扫描,识别出潜在的令人感兴趣的事件,例如伽玛射线暴。刚过中午,流程就已经恢复运行,所有的图像都得到了上传和分析,纽金特坐了下来,看看前一天晚上的观测结果中有哪个天体系统值得作为后续观测的候选目标。他知道,他的好友乔舒亚·布卢姆(Joshua Bloom)很可能正盼着这样做,布卢姆在几公里外的伯克利加利福尼亚大学,他是那里的天文学副教授。

布卢姆曾帮助编写自动搜索的软件,其实,他已经在伯克利登录,浏览过了这个夜里最先得到的那些图像。这两个人,就像他们经常做的那样,开始通过电子邮箱聊天,同时讨论所获得的结果。在下午 12 : 40 ,布卢姆告诉纽金特,他发现了一个天体,看上去很像是一颗超新星,它的距离有 4 亿光年远。“那太好了,”纽金特回答说。然后,几秒钟后,纽金特发现另一颗候选的目标,它看起来像是车轮星系中的一颗超新星,这个星系只有 2100 万光年之遥。因为这颗候选目标远为更接近地球,所以对天文学家来说很可能会有更大的价值。“我看到了你的 20 美元,并且给你上涨到了 100 美元,”纽金特开玩笑说。“成交,”布卢姆回答说,并对它作了核实。

 

一颗星星的死亡(Bhattacharjee 2013) - wangjj586 - 星海微萤

 

探天伙伴。彼得·纽金特(左)和乔舒亚·布卢姆——还有其他的许多人——跟踪了 SN 2011fe 几个月。

 

检测到一颗新的正在爆发的恒星或者一次新的伽玛射线暴,这使得这两位天文学家的心跳加速。由于恒星的这些爆发现象具有暂现的性质——它们可以在若干小时到若干天内就变暗消失——因此,发现它们的那一刻,就标志着一场为采集与这一现象有关的数据而与时间进行的竞赛的开始。正因为如此,纽金特把这个天体标为 PTF11kly ,并在发现它以后的几分钟内,就立刻通知了另一位在英国牛津大学的名为马克·沙利文(Mark Sullivan)的同事,请沙利文是否能够安排一架望远镜立即开始观测这颗天体。

很巧,尽管当地时间已经是晚上 9 时,沙利文仍然还在他的办公室里。“你觉得这是真的吗?”沙利文这样问。纽金特对他答复说:“是的。”沙利文给利物浦望远镜的操作员发了电子邮件,这架望远镜位于西班牙海岸外加那利群岛的拉帕尔马,是一架 2 米直径的自动化望远镜。在一个小时内,这架望远镜就开始了拍摄超新星的图像和光谱,在加利福尼亚时间下午 2 : 30 左右,纽金特和沙利文已经在注视着第一批分光观测的结果,为这颗超新星应该属于哪种类型而感到困惑。在对它的光谱特征研究了几分钟后,纽金特激动地告诉沙利文,这是一颗 Ia 型超新星——这一类超新星,它们爆发时的最大发光强度是可以预先通过推算知道的,因此天体物理学家把它们作为标准烛光,用来测量宇宙中的距离。按照惯例,研究人员把这颗天体命名为 SN 2011fe

Ia 新超新星,由于它们在宇宙学中所起的作用,均是很有价值的发现。纽金特和他的同事们发现的这颗 Ia 型超新星,因为是在这颗超新星爆发后仅仅 11 个小时就检测到的,所以就格外地有价值,这使得它成了一颗迄今发现的最年轻的 Ia 型超新星,天文学家因此就可以研究尚处在比以前所见过的任何 Ia 新超新星所处的进程更早阶段的爆发情况。纽金特通过网站发出了一封给天文学家的电报,鼓动世界各地的观测者对这颗天体作后续观测,研究人员后来把这颗天体称为“一代超新星”和“瞬间宇宙经典”。

 

一颗星星的死亡(Bhattacharjee 2013) - wangjj586 - 星海微萤

 

探星高手。李卫东的工作使得人们得以了解超新星的前身星的情况。

 

纽金特已经给伯克利加利福尼亚大学的一位同事——一位文静的、42 岁的天体物理学家,名为李卫东(Weidong Li)——打了电话,让他着手寻找已经存入档案库中的车轮星系的图像,试图确定这颗超新星的前身星。纽金特知道,李卫东精通天体测量学,擅长测量恒星的位置和运动,这有助于他追踪 SN 2011fe 的历史。在接下来的几个星期里,纽金特、布卢姆和李卫东日以继夜地对这颗超新星的现在和过去进行着研究。

这三位研究人员的研究成果,与其他几十位研究人员的工作一起,将使得人们对 Ia 型超新星的起源和爆发的状况能够有新的认识。对 SN 2011fe 的这些研究工作最终将会产生数十篇研究论文,但这三个人后来并不是都将能够参加庆祝由这颗超新星获得的成功。几个月后,他们中的一人在生活中遭遇了一场悲剧,并意外地终止了自己的生命。

核心的压缩

纽金特、布卢姆和李卫东在 SN 2011fe 开始闪耀在星空中之前好几年就已经彼此认识了。他们是经由非常不同的途径进入天文界的。

纽金特是一位律师的儿子,他的童年是伴随着美国的登月活动度过的,并因此使得他迷上了太空。在他 12 岁时,他的祖父给了他一架望远镜,从此他的兴趣转向了天文学。在大学里,他有一段短时间曾考虑成为一个英语专业的学生,但他讨厌反复地写作,所以他改而选择了物理。后来,在报考研究生院时,他投奔了戴维·布兰奇——俄克拉荷马大学的一位超新星专家,这位专家很快使他确信,超新星是天文学研究中最令人感兴趣的事情。在1996年,他获得了博士后奖学金进入美国劳伦斯伯克利国家实验室,然后成了那里的一个正式员工。

李卫东是在一个远离纽金特的国度里开始自己的一生的。中国的一个山村中的一对农民夫妇生下了他,他是他的家乡第一个上大学人。像纽金特一样,他迷上了超新星,他后来把超新星形容为“恒星演化中辉煌地爆发的阶段”。他在 1995 年在北京师范大学获得博士学位,其后,他开始在北京天文台工作,在那里,他使用这个天文台的兴隆观测站的望远镜,成为了中国第一个系统性地搜索超新星的人。在一年的时间里,他通过这样的搜索发现了六颗新的超新星,这部分地的感谢李卫东编写的观测时序安排软件,这个软件规定了望远镜在什么时候应该观测哪一区域的星空。

这样的成就使得李卫东引起了其他超新星研究者的注意,其中包括伯克利加利福尼亚大学的亚历克斯·菲利彭科(Alex Filippenko),他正想找个人来主持他在加利福尼亚州哈密尔顿山的利克天文台用一架自动化望远镜开创的超新星搜索。在 1997 年,菲利彭科聘用了李卫东作为博士后研究人员。

在李卫东到达伯克利后不久,纽金特就遇到了他,这是在菲利彭科的研究小组的一次会议上,李卫东当时在把从中国带来的糖果送给大家吃。纽金特没吃糖果(“糖么总还是糖的味道,”他后来开玩笑说),但对面带微笑、轻声细语的李卫东留下了深刻的印象。

在几个月内,李卫东使得利克天文台的超新星搜索有了起色和飞速发展。就在接下来这一年里,这一搜索获得了发现 20 颗近距超新星的丰硕成果,标志着这个项目已经开始成为常规的富有成效的工作。李卫东所起的作用已经成了菲利彭科的研究小组的支柱。“如果卫东被一辆卡车碾过,”菲利彭科在一些会议上说,“那么我的整个研究小组就将土崩瓦解。”

上述三个人中最年轻的人——布卢姆——来到伯克利加利福尼亚大学,是在 2005 年他从位于帕萨迪纳的加利福尼亚理工学院以伽玛射线暴方面的工作获得了博士学位以后,是作为一位助理教授来的。他那时 30 岁,双眼炯炯有神,留着浅色的山羊胡子,癖好面无表情的幽默,他用这种幽默来调剂他的谈话并与同事们开玩笑。

布卢姆和纽金特成了朋友,并且在 2008 年开始一起参加帕洛玛暂现天象搜索工作——由布卢姆在加利福尼亚理工学院时的博士生导师史林尼瓦斯·库尔卡尼(Shrinivas Kulkarni.)领导的一个观测项目。这个项目自动地搜索一些暂现天象,包括伽玛射线暴和超新星。

一些天文学家进行这样的自动巡天已经超过十年,但布卢姆想要使得这样的观测项目更前进一步。直到那时为止,自动搜索——就像李卫东在哈密尔顿山所负责的工作那样——都是使用计算机来安排观测的时间、控制望远镜和扫描有可能出现新的超新星或伽玛射线暴的星空的图像,把这些图像与老的用作参照的图像比较。然而,依然还是不得不依靠人来查看每一颗受到怀疑的天体,才能确定它是一颗真实的让天体物理学家感兴趣的天体,还是像一个斑点那样的虚假的东西。

布卢姆和他的同事们提出了一些对假象和真实的天体加以区分、并确定它们可能是哪一类天体(伽玛射线暴、超新星、变星或其他天体)的算法。 这些算法通过查看待定天体的各种特征——例如它的亮度和它所在的星系的亮度——可以得出这颗天体的概率,例如把它确定为具有 80% 概率的超新星。这些算法使得帕洛玛暂现天象搜索工作能够在数个小时内对数千字节的天文学数据进行筛选,并从每个夜晚的观测结果中鉴别出数千颗新的待定的天体。

爆发

人生终有一死,恒星也是这样。然而,就恒星而言,它的结局是成为一颗超新星,这给它带来了最终的辉煌:一次壮丽灿烂的爆发,往往比整个星系合在一起的亮度还要明亮。Ia 型的超新星,在 2011 8 24 日使得一些天文学家的心脏加速跳动的就是一颗这样的超新星,它们构成了这样的恒星爆发之中的一个特殊的类别。使它们显得特殊的是,它们在爆发时所达到的亮度,几乎都同样地明亮。

天文学家认为,Ia 型超新星是在双星系统中产生的,在这些双星系统中,有一颗称为白矮星的小而致密的恒星,它不断地把一颗与它相伴的恒星上的物质吸引过来,堆积在它自己上面。如果这颗白矮星正好完全是由碳和氧组成的,那么在它获得的物质使得它的质量达到了太阳的 1.4 倍后,就会有不寻常的事情发生。这时它就成了一场失控的热核反应的舞台,在这一场反应中,碳原子和氧原子被聚合成镍原子。镍通过放射性衰变成为钴,然后钴又通过放射性衰变成为铁,从而为超新星所达到的高亮度提供能量。

这一理论模型虽然已经被普遍接受,但是一些天文学家还在寻找更多的观测证据,以便证实很多的细节。与作为这类超新星的前身的双星系统有关的一个基本的问题,是发生爆发的恒星究竟是不是一颗碳氧白矮星。另一个问题则是,为了使得爆发的恒星成为一颗 Ia 型超新星,它的伴星必须是哪一类恒星。

8 24 日的下午,当 SN 2011fe 在星空中闪耀着、继续变得更明亮的时候,上述问题萦绕在纽金特和他的同事们的脑际。纽金特打电话给李卫东,李卫东已经开始寻找车轮星系的存档图像。然后,纽金特给加利福尼亚理工学院的天文学家理查德·埃利斯(Richard Ellis)发送了文字信息,迫切地希望他开始用哈勃太空望远镜观测这颗超新星。然而哈勃太空望远镜的观测时间是需要预订的,观测不得不等到几天后它变得有空的时候。

当太阳在美国的西海岸落下去的时候,纽金特驱车去伯克利加利福尼亚大学校园中的天文系,走入这幢建筑物地下室的一个房间,在那里,天文学家可以遥控利克天文台以及位于夏威夷莫纳克亚的凯克望远镜进行观测。在利克天文台的控制台旁的是菲利彭科的两个学生。在凯克望远镜那里准备使用其中一架望远镜的是伯克利的行星猎手、天文学家杰夫·马西(Geoff Marcy)和一个学生。纽金特安排好了一切,告诉他们:“你们要在利克观测这颗超新星——而你们则要在凯克观测这颗超新星。”在接下来的几个小时里,这两架望远镜的镜筒都指向了 SN 2011fe ,得到了它的光谱。

随后的那些日子,对于纽金特、李卫东和布卢姆来说,变成了没日没夜的日子,他们忙着分析从地面和太空中的各架望远镜源源不断地涌来的数据。纽金特在这颗超新星的光谱中找到了碳和氧的印记,意味着这颗正在爆发的恒星就像模型推测的那样是一颗碳氧白矮星。按照一种占主导地位的模型,它的伴星应该是一颗红巨星——一种已经接近生命的终点而膨胀得十分庞大的恒星,它们具有微微带些红色的包层和相对来说较低的表面温度。不过李卫东细查了它所在的星系的存档图像,在这颗超新星现在造谣者的地方附近,并没有找到这样的一颗恒星,从而有效地排除了它的伴星是一颗红巨星。

纽金特的计算结果与此一致。如果这颗伴星是一颗红巨星或者其他很庞大的恒星,那么这些计算结果表明,超新星抛出的物质的最外面壳层在爆发后一天左右就会撞上这颗伴星。因为望远镜并没有看到过这样的碰撞的信号,所以纽金特和其他的人认为,这颗伴星应该比红巨星明显地小得多——很可能是一颗像太阳这么大小的仍然还处在生命的中期的恒星。

在接下来的两个星期里,SN 2011fe 在星空中变得更明亮了,李卫东和纽金特挑灯夜战,准备发表他们的这些结果的论文。 到了 9 9 日,这颗超新星达到亮度的顶峰的前一天——这时成千上万的天文爱好者已经可以用他们家里的望远镜看到这颗超新星——李卫东和纽金特把他们的论文递交给了《自然》杂志。亚当·里斯(Adam Riess),是位于美国马里兰州巴尔的摩市的约翰·霍普金斯大学的天文学家,他在多年前曾在伯克利在一次不公平的乒乓赛中输给了李卫东,他给李卫东寄去了一份祝贺性的评价:“我敢打赌,过去没有一个人能够在一颗超新星刚达到它的亮度顶峰时就递交一篇关于它的论文!你在做你的科学研究工作的时候甚至比打乒乓球还快!我真的为此感到吃惊。”

 

一颗星星的死亡(Bhattacharjee 2013) - wangjj586 - 星海微萤

 

远方获证。马略卡岛上的“海盗”(PIRATE,物理创新自动化天文望远镜探测器)天文台为确定产生了 SN 2011fe  的恒星系统提供了关键证据。

 

三天后,布卢姆获悉有一组数据将有助于证实这颗超新星的前身星的性质。在地中海的马略卡岛上,一架 0.4 米直径的自动化望远镜,在这颗超新星被检测到的同一夜,在它被帕洛玛的望远镜检测到之前约 7.5 小时,拍摄了车轮星系的图像。在马略卡获得的图像表明,在后来爆发这颗超新星的那一小片星空中尚没有出现它,尽管从爆发的时刻算起已经过去了 4 小时。布卢姆和他的同事们计算,在这么长的时间里这颗恒星的爆发依然没有能被马略卡的那架望远镜检测到,这说明了它的直径最多只有太阳的 2% 大——是一颗白矮星。

亮度的跌落

经过了这一年的秋天,SN 2011fe 的亮度,随着它所抛出的镍衰变成钴、再由钴衰变成铁,它的亮度跌落了下去。当 12 月份即将来临的时候,纽金特、布卢姆和李卫东通过电子邮件往来,完成了他们给《自然》杂志的两篇论文的发表事宜,它们将刊载在这份杂志的 12 15 日一期上。

12 月份的第二个星期,纽金特飞到斯德哥尔摩参加与诺贝尔奖有关的欢庆活动。若干天文学家,包括纽金特和菲利彭科,受邀庆祝诺贝尔物理学奖被授予宇宙加速膨胀的发现。在某种意义上,这一奖励是在颂扬 Ia 型超新星,正是这类超新星在宇宙距离测量中的运用,构成了这项发现的基础。

12 12 日的傍晚,菲利彭科在晚餐后返回他的旅馆房间并查看他的电子邮件。在他的收件箱里有几十封来信,其中一封是李卫东的来信。这封来信的主题行写的是:告别辞。菲利彭科一直在担心李卫东会去一个与他们在竞争的研究小组,怀着不安点开了这封信件。

“亲爱的亚历克斯,”这封信件这样开始。“请在阅读此邮件之前,找到一个座位坐下来。我相信你一定会感到震惊,令人难以置信的。此刻,我已经自杀身亡。”

菲利彭科惊呆了,他打电话到伯克利,那里是午后。他获悉,已经为时太晚。李卫东已经自杀身亡。

李卫东在他的遗书中表示,他结束了他的生命,是因为个人的家庭纠葛。李卫东为他在这个不方便的时间死亡而向布卢姆和纽金特致歉——这正是他们在《自然》杂志上的论文发表前几天。在一个星期前发布的尚未刊出的新闻稿上有李卫东的手机号码;记者们一直在拨打李卫东的电话号码,没有得到任何回应。

当菲利彭科盯着他的电子邮件为这个悲哀的消息伤心时,纽金特刚从斯德哥尔摩回到伯克利,行驶在他回家的路上。布卢姆则是坐在香港的旅馆的房间里得到这个消息的。

在极度的震惊之后,他们梳理了几个月来与李卫东来往的电子邮件,想寻找他是不是可能患上了抑郁症的线索。他们什么也没找到。李卫东的死亡,对于他们很可能永远是一个谜。他们所毫无疑问地知道的一切,就是一颗明亮的星星暗下去了。

 

(本译文仅供学习交流,严禁出版和商业使用。)

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