天文學(xué)家首次獲得了一顆恒星“二次爆炸”后死亡的直接視覺證據(jù)。通過使用甚大望遠(yuǎn)鏡觀測超新星遺跡 SNR 0509-67.5，他們發(fā)現(xiàn)了可清晰辨識(shí)的爆炸特征，證實(shí)一顆白矮星經(jīng)歷了兩次爆炸。這一發(fā)現(xiàn)揭示了宇宙中最劇烈的一類爆炸——Ia型超新星——可能存在另一種全新的爆發(fā)機(jī)制。研究結(jié)果已發(fā)表于近期的《自然·天文》雜志上。

這張圖像顯示了超新星遺跡SNR 0509-67.5，這是數(shù)百年前一顆恒星在雙重爆震中死亡后，遺留下的膨脹遺跡。科學(xué)家通過不同顏色描繪不同元素的分布，藍(lán)色代表鈣元素，清晰呈現(xiàn)出兩個(gè)同心殼層，揭示了這顆恒星經(jīng)歷了兩次爆炸；橙色代表氫元素（Hα）。（圖/ESO/P. Das et al. & K. Noll et al.）

宇宙中的劇烈爆炸

Ia型超新星是天文學(xué)中極其重要的“測距工具”，因?yàn)樗鼈儙缀醵家韵嗤牧炼缺ǎ虼丝捎糜谕ㄟ^其亮度來推算它們與地球的距離。正是依靠這些距離數(shù)據(jù)，天文學(xué)家得以描繪出宇宙膨脹的歷史軌跡，并最終發(fā)現(xiàn)了一種推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量——暗能量。

除了對于我們理解宇宙的膨脹至關(guān)重要，地球上的鐵元素，甚至包括我們血液中的鐵，也主要來源于Ia型超新星爆炸。

與大多數(shù)超新星源于大質(zhì)量恒星的爆炸不同，科學(xué)界普遍認(rèn)為，Ia型超新星源自于白矮星的爆炸。

當(dāng)一顆類似太陽的恒星在耗盡燃料時(shí)，其核心就會(huì)坍縮形成致密的白矮星。它主要是由碳和氧等元素構(gòu)成，其質(zhì)量本身不足以繼續(xù)進(jìn)行核反應(yīng)。但在某些情況下，如果它從外界吸收了額外的物質(zhì)并達(dá)到了某個(gè)臨界質(zhì)量，就有可能重新點(diǎn)燃劇烈的核聚變反應(yīng)，最終將自己炸得粉碎。

然而，這些額外物質(zhì)究竟來自哪里，一直是學(xué)界爭論的焦點(diǎn)。

質(zhì)量極限 vs 雙重爆震

目前的主流理論認(rèn)為：Ia型超新星誕生于一對白矮星與伴星組成的雙星系統(tǒng)。當(dāng)白矮星與伴星足夠接近時(shí)，它會(huì)不斷從伴星吸取物質(zhì)，直到達(dá)到所謂的“錢德拉塞卡質(zhì)量極限”，進(jìn)而引發(fā)劇烈爆炸。

左：白矮星的引力會(huì)吸引伴星的氣體；右：當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到所謂的錢德拉塞卡極限時(shí)，它就會(huì)爆炸形成Ia型超新星。（圖/原理）

但近年來，一些研究還提出了另一種可能：白矮星即使未達(dá)到臨界質(zhì)量，也可能形成Ia型超新星。

具體來說，白矮星會(huì)在表面會(huì)積累一層富含氦的外殼，這層氦在變得不穩(wěn)定后首先發(fā)生爆炸，隨后產(chǎn)生的激波會(huì)沿著白矮星表面?zhèn)鞑ゲ⑾騼?nèi)傳入核心，引發(fā)第二次爆炸，最終形成Ia型超新星。這個(gè)過程被稱為“雙重爆震”（double detonation）。

雖然“雙重爆震”理論早已有之，卻一直缺乏直接的視覺證據(jù)。

關(guān)鍵證據(jù)：雙層鈣殼結(jié)構(gòu)

在新的研究中，研究人員特別關(guān)注了鈣元素，它可以通過兩種機(jī)制形成：

• 一部分鈣來自富含氦的外殼，在第一次爆炸發(fā)生之前，通過核聚變形成；

• 另一部分鈣則是在核心的物質(zhì)發(fā)生聚變時(shí)產(chǎn)生的。由于這些物質(zhì)在超新星爆發(fā)中被快速拋出，從而來不及經(jīng)歷進(jìn)一步的核反應(yīng)，未能轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐脑亍?/p>

由于鈣元素分別由兩次爆炸生成，因此天文學(xué)家預(yù)測：超新星爆炸后形成的膨脹碎片中將存在兩個(gè)彼此分離的鈣殼層，中間隔著一定距離，且這些結(jié)構(gòu)即使在爆炸多年后仍可被觀測到。

圖中展示的是SNR 0509-67.5遺跡中鈣元素的分布，疊加的曲線清晰勾勒出兩個(gè)同心的鈣殼層，這是恒星在數(shù)百年前經(jīng)歷兩次爆炸時(shí)分別噴發(fā)出的產(chǎn)物。（圖/ESO/P. Das et al.）

現(xiàn)在，對一個(gè)名為SNR 0509-67.5的遺跡的觀測結(jié)果，為這一模型提供了直接的支持證據(jù)：研究人員在這一超新星遺跡中發(fā)現(xiàn)了這一標(biāo)志性結(jié)構(gòu)。他們利用甚大望遠(yuǎn)鏡上的多元光譜探測儀（MUSE），成功識(shí)別出這兩個(gè)由高電離鈣構(gòu)成的殼層。

他們的研究表明，SNR 0509-67.5在爆炸時(shí)可能是一顆質(zhì)量與太陽大致相當(dāng)?shù)陌装牵浔ê芸赡苁怯赏鈱右粋€(gè)僅占太陽質(zhì)量約3%的氦殼發(fā)生爆震所觸發(fā)的。新結(jié)果說明，白矮星在未達(dá)到錢德拉塞卡極限前就能爆炸，同時(shí)也說明“雙重爆震”機(jī)制確實(shí)存在于自然界。

超新星遺跡 SNR 0509-67.5的整體結(jié)構(gòu)的藝術(shù)構(gòu)想圖。（圖/ESO/M. Kornmesser）

一場壯觀“煙火秀”帶來的新疑問

（視頻/ESO）

然而，這一發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了一個(gè)核心問題：Ia型超新星的亮度是否真的恒定不變？如果白矮星尚未達(dá)到傳統(tǒng)的臨界質(zhì)量就能通過雙重爆震引發(fā)爆炸，那么部分Ia型超新星的亮度可能會(huì)明顯低于預(yù)期。

更復(fù)雜的是，研究團(tuán)隊(duì)指出，在某些雙星系統(tǒng)中，如果存在第二顆距離足夠近的白矮星，首顆超新星爆炸產(chǎn)生的碎片甚至可能引發(fā)另一場“雙重爆震”。兩次爆炸可能在時(shí)間和空間上都極為接近，在觀測上幾乎難以區(qū)分。因此，科學(xué)家仍需進(jìn)行大量模擬和理論建模，才能全面評估這一機(jī)制對宇宙學(xué)測距和Ia型超新星標(biāo)準(zhǔn)性所帶來的深遠(yuǎn)影響。

#參考來源：

https://www.eso.org/public/news/eso2511/

https://arstechnica.com/science/2025/07/new-evidence-that-some-supernovae-may-be-a-double-detonation/

https://www.nature.com/articles/s41550-025-02589-5

#圖片來源：

封面圖&首圖：ESO/P. Das et al. & K. Noll et al.