KSN 2011d的光学激波突破

专事系外行星搜索的开普勒空间望远镜捕获超新星KSN 2011d激波突破一事算是最近被炒得沸沸扬扬的一条新闻。其实这本来是一项很不错的新发现，只是到了各路大小门户的报道中实在有所变味。“首次观测”、“恒星爆炸画面”，各种耸人听闻的标题不一而足，被遗忘的唯独只有必要的定语：光学波段，或许还有超新星的种类。虽然有同学已经就此撰文解析了前因后果，自己还是忍不住写上一篇啊。何为激波突破（shock breakout）？大致说来，这是核心坍缩型超新星的物质下落并反弹之后，射出一道向外运动的激波，并最终顶开星体包层的过程。由于期间这道激波会将包层加热/加速，所以当它穿过星体表面之后，就留下了大量（质量可能相当于太阳数倍）以高速（光速的百分之几）运动的高温恒星物质，让星体迅速膨胀；反映在观测上，理论上就应该能看到相应的短暂闪光。更严格地讲，相关的辐射可以分为两部分，分别是激波突破本身产生的主峰与之前的辐射“前兆”，后者在真正突破发生之前很长时间就会出现，这是因为部分星体物质已经于先期被加热的缘故。在这次的媒体报道中，shock breakout被译作“激波暴”的情况好像多一些。虽说系里有某位研究超新星遗迹的教授更钟情于“激波暴”的译法，但个人还是倾向于使用“激波突破”，毕竟可以更好地突出穿越包层的特点。鉴于这个词组的译名至今没有正式标准（至少在本人手头的名词辞典中没有收录），姑且不去纠结翻译问题了，还是由着习惯来吧。首先要澄清的是，以下广为流传的动画不过是示意图而已啦，是示意图！甚至连严格的模拟图都算不上，更不是什么无良记者所称的“首次捕捉恒星爆炸画面”！要是针对这起发生在12亿光年外的河外恒星爆发还能拍摄到如此清晰的图像，这是想说吓死活人不偿命吗！还是说天文学的超高分辨率新纪元真的已经到来了？！图片提供：NASA Ames, STScI/G. Bacon观测激波突破很难吗？确实难。激波突破发生在超新星爆发的最早期，先于它发出的信号只有难以捉摸的中微子和引力波，星体本身的电磁辐射并无异常。受现有多信使探测器的灵敏度所限，哪怕对于河内超新星来说，先期预警都是非常困难的，对河外更是几乎不可行。而激波突破相关的辐射峰持续不了太长，前身星半径相当于太阳近500倍的KSN 2011d这个过程只花费了20分钟左右，对体积更小的恒星还会有所缩短，这一时标远远短于以日计算的超新星光变。考虑当下的超新星观测多半始于恒星爆发过后的数小时乃至数日，错过绝大多数事件的激波突破几乎是必然的，除非从一开始就瞄准相应的天区。而且就算观测者足够走运，守株待兔式地捕获了一颗超新星的极早期行为，至少在可见光波段，激波突破的信号或许也不会很明显，湮没在噪声之中并非没有可能。仍以KSN 2011d为例，下图是它极早期的光变曲线，其中左半是观测数据，右半是使用开普勒测光统计特性以及最佳拟合光球模型生成的模拟数据。图中的蓝色小点是开普勒的历次测量结果，红点表示在为时3.5小时的时间片段内的测量中值，绿色则是理论拟合的光变曲线，而0日前后快速上升缓慢下降的微弱增亮就是激波突破的产物了。且不说这个尖峰的亮度比起后面的超新星峰值亮度要差得很远，如果不计各时间段内的统计中值，单看密密麻麻的原始数据点，有谁能在其中一眼分辨出早期的增亮结构？这还是空间望远镜不受大气干扰采集到的数据，要是把仪器放到地面的话，测量误差只会更惊人。图片来源：Garnavich et al. (2016)更不用提的是，超新星前身天体及其周边环境的具体情况很复杂，不一定适合上图这种尖峰式信号的产生。一个实例就是与KSN 2011d同期发表的KSN 2011a，它虽然也拥有高质量的极早期光变曲线记录，但由于其半径较小的前身星周围可能包裹着光学厚的星风，激波突破的过程被稠密的星周介质引发的作用延长，也许就化作了下图所示光度上升期的长时标流量超出，而并无明确的辐射尖峰相伴。KSN 2011a（左）与KSN 2011d（右）的极早期光变曲线，仍以蓝色数据点表示开普勒的实测数据，红点表示6小时区间内的测量中值，绿色曲线是模型拟合得到的上升期光变曲线。图中可见KSN 2011a在上升期的流量相对模型存在显著的超出，据信可以归结为激波与星周介质的相互作用。（图片来源：Garnavich et al. 2016）但KSN 2011d是第一次激波突破观测吗？显然不是。本站的2008年年度回顾图就提到了一颗名叫SNLS-04D2dc的超新星及其紫外激波突破的发现。事后的数据分析表明，2004年，星系演化探测器（GALEX）在超新星遗珍巡天计划（SNLS）正式发现这颗超新星之前两周就已经记录下了它在极早期持续1小时左右的流量突变，对应激波突破的发生，只是那次的观测波段从开普勒望远镜的光学换成了GALEX的紫外（其中就包括了近紫外，波长跟可见光真的差不了太多）。SNLS-04D2dc的近紫外（上）与远紫外（下）极早期光变曲线。（图片来源：Schawinski et al. 2008）这里值得一提的是，SNLS-04D2dc的紫外激波突破光变曲线明确表现出了前兆与主峰两个成分，在上图中分别用黄色和绿色标出（KSN 2011d在更早期也存在前兆的迹象，但在统计意义上置信度不高）。在前兆期间，激波还只在恒星内部传播，星体半径尚未发生太大的变化；到了主峰期间才会急剧膨胀。更需要特别指出的是，多波段观测表明，在SNLS-04D2dc的整个演化过程中，紫外激波突破的亮度是最高的，高过了随后光学波段所达到的峰值。这一点是与理论预言相一致的，也就是说核心坍缩型超新星的最亮时刻正对应激波突破，但是此时辐射能集中在紫外到软X射线能段，在光学波段的表现并不很突出。对比SNLS-04D2dc与KSN 2011d两者的光变曲线测量，应该还是能够说明一些问题的。SNLS-04D2dc的多波段光变曲线，其中黑色表示GALEX的早期近紫外观测，彩色数据点皆为加拿大-法国-夏威夷望远镜随后的光学或近红外观测。（图片来源：Schawinski et al. 2008）SNLS-04D2dc相关工作的发表是在2008年7月中旬。在此之前不到2个月，另一颗超新星——SN 2008D的相关研究也得以公开。SN 2008D伴有X射线激波突破信号（其观测晚于SNLS-04D2dc，但论文的发表却更早些）。这场发生在2008年1月的恒星爆发绝对算得上是一个幸运儿：在它出现之时，雨燕卫星正在观测身居同一个宿主星系的SN 2007uy（说来这个星系NGC 2770也堪称奇葩，虽然其产星率不高，每年只有1倍太阳质量左右，但那些年的超新星爆发速率却高得不一般。不过这或许只是观测大量星系期间遇到的正常涨落而已，不必太在意，或者也可能是过去与伴星系相互作用留下的后遗症。），因此它成了观测开始得最早的一颗超新星，得到全时间段全方位的覆盖。在雨燕的X射线望远镜记录下的光变曲线中，可以用激波突破很好拟合的极早期快上升慢下降增亮也是清晰可见：SN 2008D的极早期X射线光变曲线。（图片来源：Soderberg et al. 2008）以上还只是激波突破的确切探测。更早些时候，1989年就有人提出，超新星1987A的电离星周环实际上已经说明了紫外激波突破的存在，虽说这并非直接证据。还有研究者曾经提出，某些近距离伽玛射线暴或X射线闪也可以用激波突破来解释，辐射的具体能段可能与前身星种类有关：SNLS-04D2dc与KSN 2011d均为光变曲线拥有缓变期的II-P型超新星，前身星应该都是红超巨星，质量数百倍于太阳；而SN 2008D是一颗前身星质量更大的Ibc型超新星，起源于沃尔夫-拉叶星的坍缩。激波穿过这类蓝星致密星风的过程可能能够形成更高能的辐射。OK，根据以上背景可知，在这次报道的主角超新星于2011年爆发之前，人们已经明确，在辐射理应最强的紫外和X射线能段，确实都存在符合理论预期的超新星激波突破迹象，只差波长跟紫外接近但强度较弱的光学信号了；这次开普勒对KSN 2011d的观测则是最后填补了空白。所以本人针对此新闻的观点与前阵大红大紫的引力波探测一样，抛开工程仪器方面的进步不论，单就科学意义而言，发现了与理论相符的信号不算事，观测数据严重偏离预言才叫天大的麻烦——毕竟该有的其他各路证据早已是一应俱全，真的是大幅拼图只差这一小块了。倘或最后一块出了大岔子，由此为理论带来的挑战可真是不一般啊。嗯，幸好这种情况没有实际发生。各路媒体没有说错的是，NASA对KSN 2011d的官方报道确实将其称作里程碑。但原文是“investigative milestone”，用词略显诡异（本人近10年来一直在帮助中国天文科普网跟踪翻译NASA的新闻，这种说法还真是第一次碰到）。个人对此的理解是，这里应该存在为开普勒计划作宣传的成分。第一次在光学波段观测到超新星激波突破事件不假，但跟近紫外相比并无本质差异，所以理论意义倒还有限。但开普勒的这次观测一来向公众（以及NASA管理层）说明了这颗起死回生的卫星在主业之外的多面手能力，二来也为今后可能的发现作了铺垫——有了这种全天候监测某一固定天区的空间望远镜，未来发现更多的同类现象岂不是在情理之中？K2计划的维系恐怕又因此多了一个理由。所以自己宁愿将其视为研究手段上的里程碑。毕竟在开普勒之前，凭借此等模式工作的光学望远镜还是没有前例的；而正如同学已经指出的那样，超新星的光学监测仪器也远多于其他波段，相关研究组理应会从此学到一些经验的。说到这方面的观测前景，正如本文在前面提到的那样，超新星激波突破期间，主要辐射能是以紫外和X射线的形式释放出来的；KSN 2011d的观测也说明了光学激波突破相对超新星峰值亮度是有多么的不起眼。这样看来，虽说光学望远镜为数不少，激波突破的探测率却可能提升不了太多，就不说星周介质对激波可能的影响了。当然，具体情况如何，还有待后面的实际观测来敲定。要论激波突破的新闻性，从历次相关论文所发表的刊物也能见一斑：SN 2008D与SNLS-04D2dc的文章分别刊登在《自然》与《科学》杂志上，而这次的KSN 2011d只落得一个《天体物理学报》。固然说前两家期刊所介绍的工作多以轰动性为要，多少有炒概念之嫌，严谨性却不时要打折扣，而《天体物理学报》好歹也属于业内翘楚，但炒概念总要有得炒嘛！X射线过后是跟风的紫外，这在紫外过后要是再炒作光学，未免显得有些没诚意，所以还是踏踏实实地投给本专业的杂志好了。于是就算炒作激波突破的发现，也要在8年前炒作才是嘛！不过那时最为擅长炒作的新媒体的发达程度跟现在比，怎么说也还差了一大截吧……　参考资料[1] Garnavich, P. M. et al., Shock Breakout and Early Light Curves of Type II-P Supernovae Observed with Kepler, Astrophysical Journal, 2016, 820, 23
[2] Schawinski, K. et al., Supernova Shock Breakout from a Red Supergiant, Science, 2008, 321, 223
[3] Soderberg, A. M. et al., An Extremely Luminous X-ray Outburst at the Birth of a Supernova, Nature, 2008, 453, 469内容来自 Bo Zhang's Homepage

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