中外科学家携手为超新星“寻亲”

在银河系的近邻宇宙里，富含氢的II-P型超新星约占全部超新星数量的35%到40%，是当之无愧的“主力军”。然而，它们的身世一直是天文学家探寻的谜题。

“我们首次证实，一颗看似普通的II-P型超新星其实来自一个双星系统。”中国科学院大学（以下简称国科大）天文与空间科学学院副教授孙宁晨表示，这对理解大质量恒星演化、爆发机制、致密天体形成等具有重要意义。近日，相关研究成果发表于《科学通报》。

超新星SN 2018gj在宿主星系中的位置，并艺术呈现了其双星前身星演化至爆发的完整过程。牛泽茜绘制

为超新星“寻亲”

“超新星是恒星死亡时刻的爆发现象，是时域天文学时代的核心研究课题。”孙宁晨说，其中，富含氢元素的超新星叫做II-P型超新星，“它们的身世远比我们想象的要复杂得多。”

“这类超新星的起源在理论上存在两个通道，一个是孤立单星演化，一个是经历过双星相互作用。”孙宁晨告诉记者，然而，单星和双星起源的前身星，在爆发前都会进入红超巨星阶段，其相似的观测特征为追溯起源机制带来了显著挑战。

因此，长期以来，II-P型超新星的前身星研究主要局限于单星演化框架，其双星起源始终缺乏确凿的观测证据。

2023年初，孙宁晨团队成功捕捉了II-P型超新星SN 2018gj的前身星。“尽管该前身星的恒星大气参数与其他II-P型超新星前身星相似，但仍表现出不同寻常的地方。”孙宁晨解释道，不仅反常地位于宿主星系边缘异常年老的环境中，且超新星的光变曲线呈现出异常短暂的“平台期”。

这为他们的研究提供了重要抓手。为了揭开II-P型超新星的起源之谜，孙宁晨和论文第一作者、国科大特别研究助理牛泽茜设计了一套“组合拳”。

“我们创新性地融入了前身星直接探测、环境星族分析，以及爆发过程的流体动力学模拟等关键手段，来测量三个关键观测物理量。”牛泽茜告诉记者，这些观测数据直接指向该超新星的双星起源。“这填补了缺失近30年的‘双星起源’观测空白，就像是给超新星做了一次‘寻亲’。”

“痛并快乐着”

回望与超新星作伴的几年，牛泽茜只有一个词形容，“痛并快乐着”。

而这份苦乐交织的起点，其实是一个特别的发现——超新星周围异常年老的恒星环境。“这为前身星双星起源提供了关键线索。”牛泽茜解释道，经历过双星相互作用，特别是合并或者吸积的恒星，延迟爆发的时间会显著增加。

通过对II-P型超新星SN 2018gj前身星的直接观测，孙宁晨团队不仅得到了前身星核的质量，还为爆发过程参数建模提供先验信息，打破了流体动力学模拟中存在的参数简并问题，得到了可靠的包层质量测量。

在此过程中，孙宁晨还不断扩大着该研究的“朋友圈”。当发现II-P型超新星SN 2018gj时，他马上想起了老朋友——希腊IA-FORTH研究所和雅典大学的研究人员Emmanouil Zapartas博士。

“这正是他之前从理论预言的双星起源导致延迟爆发的IIP型超新星候选体。”孙宁晨回忆道，因此，他第一时间与对方取得联系，“就像一座桥，两边都在努力地向前，最终合拢，还原了这个前身星的前世今生。”

同时，研究团队还借助新一代双星演化模拟程序，成功揭示出该前身星系统经历的一系列双星间质量交换及并合的复杂演化历史。

“这个程序来自一支非常专业的、从事恒星演化和星族合成的团队，主要成员来自瑞士日内瓦大学和美国西北大学。”牛泽茜告诉记者，该程序的双星演化的精度极高，能够模拟“反向并合”这类在普通双星模拟程序中难以实现的演化过程。通过将观测数据与不同起源的前身星模型进行对比，研究团队发现只有“反向并合”能解释前身星的观测性质。

“此项工作是观测天文学家与理论天文学家深度交叉合作的典范，不仅为II-P型超新星的双星起源这一长期悬而未决的问题提供了可靠证据，也为搜寻更多‘隐藏’的超新星起源开辟了新路径。”孙宁晨说。

随着中国空间站巡天空间望远镜、韦布空间望远镜（JWST）、司天工程等国内外新一代天文设施的投入使用，未来有望发现更多未知起源的超新星事件。

“目前研究还停留在个例，但根据理论预测，还有许多这类前身星未被发现。”展望未来，孙宁晨满怀期待，“我们希望能建立双星起源的IIP型超新星样本，并进行深入挖掘。”