互聯(lián)網時代的超新星搜索

 

資料圖：史上最強超新星爆發(fā)ASASSN-15lh的想像圖。（圖片來源：北京天文館馬勁）

 

“互聯(lián)網+超新星搜索”

 

傳統(tǒng)的專業(yè)天文臺巡天搜索系統(tǒng)是很復雜的，只有那些具備足夠天文知識、掌握很多物理和數(shù)學方法的專業(yè)人士才可以做到。哪怕是業(yè)余天文臺的愛好者們也需要熟練掌握各種軟件的使用，目標的辨識，數(shù)據的測量處理，以及提交專業(yè)的英文報告。

 

“互聯(lián)網+”是當下最火的詞語，“互聯(lián)網+”就是利用互聯(lián)網的平臺，利用信息通信技術，把互聯(lián)網和傳統(tǒng)結合起來，在新的領域創(chuàng)造一種新的生態(tài)，以一種全新的、簡單的、便捷的、高用戶體驗的方式解決傳統(tǒng)的復雜事情。

 

星明天文臺公眾超新星搜尋項目（Popular Supernova Project，以下簡稱PSP系統(tǒng)）簡單地說就是“互聯(lián)網+天文臺傳統(tǒng)巡天項目”，造就了國內首個全民科學（Citizen Science）項目。但是實際的效果絕不是簡單的相加，為普通公眾在欣賞宇宙之美的同時，有了參與天文新發(fā)現(xiàn)的可能。

 

“互聯(lián)網+”之下的超新星搜索只需要在電腦前打開PSP系統(tǒng)網站，點點鼠標就可以進行看圖搜索，發(fā)現(xiàn)可疑目標也只需要提交等待高級用戶的查驗。甚至通過手機版PSP系統(tǒng)，還可以在手機上玩轉超新星搜索發(fā)現(xiàn)。

 

星明天文臺公眾超新星搜尋項目新年再獲發(fā)現(xiàn)成果

 

——記星明天文臺2016年第一顆、筆者第十二顆超新星發(fā)現(xiàn)

 

發(fā)現(xiàn)

 

1月15日晚上星明天文臺天氣晴好，天文臺一如既往的開始了巡天計劃，并且PSP系統(tǒng)從當晚21:00開始每小時放出一批搜索圖片。筆者（徐智堅）作為高級用戶也參與了實時的搜索，鼠標一直在“沒有可疑目標”的按鈕上迅速的點著。直到當晚0:00的一批搜索圖片時，突然出現(xiàn)了一個一個暗弱的光斑，由于目標亮度較暗很像一個噪點，但是直覺告訴筆者這是一個很可疑的候選目標，便立即做了標記并提交“這是可疑目標”（如下圖紅圈）。

 

 

查驗

 

對于普通用戶接下來只需要等待高級用戶的排查、驗證。由于筆者是PSP系統(tǒng)高級用戶，便立即開始進行目標的核查，并聯(lián)系其他高級用戶進行判斷。排查、驗證的過程需要非常嚴謹，首先需要查看原圖排除CCD熱噪點的可能，其次通過歸算測量目標的坐標，排除小行星以及已知超新星，最后由星明天文臺臺長高興老師再次對目標進行確認拍攝。很幸運的是這次排除了一切可能，并在重新拍攝的圖片中確認了候選目標的真實存在。最終，高級用戶將該目標判斷回復為“新目標，準備上報”，筆者與徐佳一、譚瀚杰兩位愛好者一起享有了這顆超新星的發(fā)現(xiàn)。

 

 

確認圖片，2x60s疊加

 

上報

 

候選目標的發(fā)現(xiàn)將提交給國際天文聯(lián)合會超新星工作組（IAU Supernova Working Group），如今的報告提交也采用了互聯(lián)網在線提交方式。需要填寫很詳細的發(fā)現(xiàn)時間、坐標、亮度、發(fā)現(xiàn)者信息、所用設備信息、濾鏡、誤差等內容。經過反復的核查確認無誤后，將我們的候選目標完成上報。

 

光譜驗證

 

正式確認超新星的發(fā)現(xiàn)，需要專業(yè)天文臺對候選目標進行光譜觀測，確定超新星的類型。星明天文臺與國內專業(yè)天文臺已經有過多次合作經歷，當晚星明天文臺的負責人高興老師立刻聯(lián)絡中國科學院云南天文臺的天文學家，請求光譜觀測。云南天文臺張居甲、清華大學王曉峰兩位天文學家使用麗江2.4米望遠鏡當晚就進行了一次光譜觀測，可惜信噪比不夠理想，第二天再次進行了光譜觀測。最終經過幾天的光譜分析，確認了該候選目標為一顆Ⅱb型超新星。

 

Ⅱ型核塌縮超新星

 

超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸，是最激烈的天體物理現(xiàn)象。星系中的超新星爆發(fā)經常能夠照亮其所在的整個星系，并可持續(xù)幾周至幾個月（甚至一年）才會逐漸衰減變暗。2016年1月，中國科學家觀測到最強超新星，是太陽亮度的5700億倍。

 

天文學家把超新星按它們光譜上的不同元素的吸收線來分成數(shù)個類型：I型：沒有氫吸收線。其中Ia型：沒有氫、氦吸收線，有硅吸收線；Ib型：沒有氫吸收線，有氦吸收線；Ic型：沒有氫、氦、硅吸收線。Ⅱ型：有氫吸收線。經典的觀點認為，Ia型超新星的形成需要一個雙星系統(tǒng)，一顆巨星，一顆白矮星。質量極大的白矮星從巨星吸取氫物質，當白矮星質量達到錢德拉塞卡極限（1.44個太陽質量）時，由于熱核反應不穩(wěn)定性導致核聚變放出大量的能量，將外層的物質以很高的速度噴射出去發(fā)生爆炸，白矮星則極快地塌陷為中子星或黑洞。

 

而當質量至少是太陽質量9倍的大質量恒星由于內部塌縮引發(fā)的劇烈爆炸則是Ⅱ型超新星。Ⅱ型超新星，也稱為核塌縮超新星。一般來說Ⅱ型超新星會有氫原子吸收能量特征的巴爾默吸收線—，這條譜線的出現(xiàn)可以用來與Ia超新星有所區(qū)別。

 

風格迥異的Ⅱ型超新星

 

由于質量至少是太陽質量9倍的大質量恒星具有相當復雜的演化風格，因此Ⅱ型超新星的爆炸有多種不同的類型。

 

依據爆炸后的光度曲線（如下圖）來分類可以分為ⅡL型超新星和ⅡP型超新星。ⅡL型超新星在經過亮度極大值后，亮度隨即穩(wěn)定的線性下降。而ⅡP型超新星在亮度下降一段時間后會趨于一個平穩(wěn)階段，稱之為“高原”，才會再持續(xù)正常的線性下降。之所以ⅡP型超新星的光度曲線中的會有平穩(wěn)的高原區(qū)，是因為爆炸中產生的激波電離了外層中的氫原子，從而使外層變得不透明度，阻止了內部爆炸產生的光子透過外層逸出。當外層的氫離子冷卻后重新組合成原子后，外層區(qū)域又變得透明，才會恢復正常的線性下降。

 

光度對爆炸后的時間變化圖

 

Ⅱ型超新星光譜存在諸多反常特性。根據光譜的反常特性，又可以分為Ⅱn型超新星和Ⅱb型超新星。Ⅱn型超新星有可能誕生于噴射物與恒星周圍物質的相互作用。

 

Ⅱb型超新星更為特殊，可以認為是Ib型超新星和Ⅱ型超新星的中間型。Ⅱb型超新星的前身可能是一顆大質量的巨星，在其伴星的交互作用下失去了絕大多數(shù)但不是全部的氫元素外層，只留下幾乎全部是氦的核心。在Ⅱb型超新星爆發(fā)的一開始會顯示出氫光譜線，所以歸類為Ⅱ型，隨著繼續(xù)爆發(fā)膨脹，余下的氫元素外層很快會變得透光從而能夠展露出里面充滿氦的內層結構，因此具有強烈的氦光譜線，同時從光度曲線中反應，在第一個高峰之后有第二個高峰，這又非常類似于Ib型超新星。

 

最典型的Ⅱb型超新星是1993年3月28日由西班牙天文學家弗蘭西斯科·加西亞發(fā)現(xiàn)的編號為SN 1993J的超新星。它位于大熊座的河外星系M81，距離約為850萬光年，最亮時視星等為10.8等，它是二十世紀第二亮的超新星，僅次于位于大麥哲倫星系的SN 1987A。

 

 

互聯(lián)網拉近了民眾與科學之間的距離

 

星明天文臺公眾超新星搜尋項目是科普積極擁抱“互聯(lián)網+”新時代下的一次創(chuàng)新，讓民眾能夠更好的接觸原本高深的科學知識，探索宇宙的奧秘。通過互聯(lián)網的方式將科普傳遞到全民當中去。

 

天文學是一個復合學科，物理學家、化學家、數(shù)學家、工程機械專家都對這門學科的發(fā)展發(fā)揮過重要作用，很多非專業(yè)人士作出了重大的發(fā)現(xiàn)，成為某個領域的奠基人。時至今日，天文學研究已經越來越艱深，普通人作天文研究的可能性變得微乎其微，但是天文愛好者仍然在天文觀測領域發(fā)揮著重要作用。天文研究的每一次重大進步都離不開天文觀測，有了公眾的參與，就多了無數(shù)雙投向浩瀚宇宙的眼睛，由此生成的大數(shù)據更是為科學研究提供了海量的基礎信息和樣本。而互聯(lián)網技術則為公眾參與天文大數(shù)據的采集和分析提供了便捷通道，從這個意義上來說，拉近公眾與天文學之間的距離，既是普及科學知識，提高全社會科學意識需要，也是拓展科研視野，采集科研數(shù)據的需要。作者：徐智堅（南京天文愛好者協(xié)會副秘書長） 陳向陽（紫金山天文臺）