（温馨提示：本文约10736个字，阅读完约需要20分钟）【作者建议：如果您没时间看完所有文字，可以先快速看完每张图。】在上一章，我们已经领略了行星状星云的风采，那些行星状星云是质量为太阳质量0.8到8倍的恒星演化到末期时的产物。那么，那些质量超过太阳质量8倍的大质量恒星会如何演化呢？更进一步，那些看似终将暗淡下去的白矮星真的都会一直黯淡下去吗？过去近百年的理论研究与观测已经给出了上面两个问题的答案：相当一部分大质量恒星演化到末期，会发生猛烈爆炸，产生的亮度远超过一般的“新星”，成为“超新星”；一些位于双星系统中的白矮星也会在一定条件下爆炸为超新星。超新星仿佛太空中灿烂的烟花秀，它们不仅在夜空中会持续几年可见，有的甚至可以在白天被看到。因此，人类早已被这样的绚烂而罕见的太空烟火秀所吸引：人类以图文的形式描述超新星的历史，有至少几千年。哈勃升空后，观测了多种超新星以及它们的遗迹，甚至在观测档案中保存了一些近距离超新星爆发前的恒星的图像。从顺序上，大质量恒星或白矮星爆发为超新星，然后演化为超新星遗迹。但在这里，我们将介绍的顺序反过来，先介绍哈勃观测的一些重要的超新星遗迹，然后介绍哈勃拍摄的一些超新星（以及失败的超新星、千新星），最后介绍哈勃确认的一些超新星的前身星。公元1054年，多个国家的人类观测并记载了一颗明亮的超新星爆发现象，其中，中国天文学家的记载最详细。根据记录，这颗超新星位于金牛座，持续近两年可以用肉眼看到，其中有23天可以在白天看到。另一方面，在著名的梅西耶星表中，排在第一位的“M1”因为看上去像一只螃蟹，而被命名为“蟹状星云”。大约100年前，天文学家证明，蟹状星云就是公元1054年被观测到的那颗超新星的遗迹。事实上，它也是梅西耶星表中唯一的超新星遗迹。与此同时，它大概是所有超新星遗迹中最负盛名的一个。它与地球的距离大约为6500光年。
图：哈勃的WFPC2拍摄的蟹状星云 (M1) 的可见光图像。蟹状星云是一颗大质量恒星爆发为超新星之后留下的遗迹。这是WFPC2拍摄的最大的图，由24张图拼接而成。图中区域的边长约为12光年。Credit: NASA, ESA and Allison Loll/Jeff Hesterhttps://www.spacetelescope.org/images/ann0820/ 奇怪的知识：超新星遗迹。超新星爆发之后，大部分物质向周围的空间扩散。经过几年到十几年时间，这些超新星物质中发出的辐射就能比较自由地逃逸出来，人们把此时以及此后的超新星物质称为“超新星遗迹”。
蟹状星云中心有一颗中子星，这是超新星爆发之后留下的致密天体。蟹状星云中心的中子星不断辐射出高能粒子，这些高能粒子将能量传递给超新星遗迹中的星云物质，将其加热，使其发出各种颜色的光芒。在望远镜被发明之前，人类用文字记载下来的可靠的超新星记录至少有5次，它们都是我们银河系内爆发的超新星。这5个超新星中，只有1054年被观测到那次来自大质量恒星爆炸，其余4次都源自白矮星的爆炸，它们分别于公元393年、1006年、1572年与1604年被观测到。其中，1572年与1604年被观测的那两次超新星分别被称为“第谷超新星”与“开普勒超新星”，因为第谷与开普勒分别对它们进行了详尽地观测。1006年被观测到那颗超新星的编号为“SN 1006”，它位于豺狼座，与地球的距离约为7200光年。中国、日本、伊拉克、埃及与欧洲人都记载了它，北美洲的人也可能记载了它。它最亮时达到了金星亮度的十几倍。根据中国宫廷天文官员记载，它在最亮时可以照出物体的影子。下图为哈勃于2006年拍摄的SN 1006遗迹的边缘的一部分。这是这个超新星爆发后1000年的图像，它已经膨胀到非常大，又因为它离地球比较近，这使得它在夜空中看上去有满月那么大，哈勃单次拍摄只能拍到它的一小部分区域。
图：哈勃的WFPC2与ACS于2006年拍摄的SN 1006的遗迹的边缘的一部分的可见光与近红外的合成图像，当时恰好是观测到这颗超新星之后1000年。此前， CTIO位于智利的望远镜于1998年拍摄了这个超新星，当时，图中的红色区域还恰好在该区域右下方。对比这两次成像，天文学家确定SN 1006遗迹在这期间还在继续膨胀，膨胀方向朝着图中左上方。图中宽度约为5.2光年，高度约为4.8光年。
Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
https://www.spacetelescope.org/images/opo0822a/
下图为多个望远镜拍摄的SN 1006的遗迹的多波段合成图，哈勃拍摄的那部分边缘区域对应图中绿色方框圈住的黄色线段部分。从图中可以看出，当前的SN 1006的遗迹只有一部分边缘才发出可见光，其余大部分区域发出的都是我们的眼睛无法看到的射电、X射线辐射。
图：多个望远镜拍摄的SN 1006的遗迹的多波段合成图。红色表示地面上的射电望远镜阵列“甚大望远镜阵” (VLA) 与绿岸望远镜 (GBT) 拍摄的射电波段的图像；黄色表示CTIO的望远镜拍摄的氢发出的可见光的图像；青色为钱德拉 (Chandra) 拍摄的X射线图像。红色与蓝色表示其他可见光望远镜拍摄的图像。图中的超新星遗迹的直径已经达到大约60光年。Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI). Science Credit: Radio: NRAO/AUI/NSF GBT+VLA 1.4 GHz mosaic (Dyer, Maddalena and Cornwell, NRAO); X-ray: NASA/CXC/Rutgers/G. Cassam-Chenai and J. Hughes et al.; Optical: F.Winkler/Middlebury College and NOAO/AURA/NSF; and DSShttps://www.spacetelescope.org/images/opo0822b/ 奇怪的知识：超新星遗迹的多波段辐射。超新星遗迹的大小远大于刚爆发不久后的超新星的大小，这也使得其中的物质比超新星的物质稀薄得多。在超新星遗迹内，高能粒子发出多波段辐射；因为遗迹的密度小，这些辐射都会比较容易直接逃逸出来。这使得超新星在射电、红外线、可见光、紫外线、X射线与伽玛射线波段都很明亮。第谷超新星 (SN 1572) 在可见光波段发出的光已经比SN 1006的遗迹更少，它已经成为一个X射线源与射电源，哈勃并未拍出它的可见光图像。开普勒超新星 (SN 1604) 位于蛇夫座，与地球的距离约20000光年。直到今天，开普勒超新星中还有一些丝絮状物质在发出可见光。由于它只膨胀了400多年，且距离比SN 1006远得多，因此哈勃可以拍出它的全景图。
图：哈勃的ACS于2003年8月拍摄的开普勒超新星 (SN 1604) 遗迹的可见光图像，这些光由遗迹中的氢、氮与氧发射出。经过四百多年的演化，开普勒超新星遗迹已经膨胀成很稀薄的气体与尘埃云。图中结合了WFPC2此前得到的数据。图中显示出它的纽结与丝状结构，也显示出众多背景恒星。图中区域的宽度约为10光年，高度约为12.5光年。Credit: NASA, ESA, The Hubble Heritage Team STScI/AURAhttps://www.spacetelescope.org/images/opo0429l/奇怪的知识：为什么要研究超新星遗迹？由于超新星遗迹比较稀薄，天文学家可以直接探测里面的物质发出的各种波段的辐射，因此也就可以直接研究其内部物质组成，从而可以判断出对应的恒星在爆发前的内部化学组成。这使得天文学家非常重视超新星遗迹。
在开普勒超新星在夜空中消失之后，人类再也没有观测到银河系内爆发的超新星。但是，1947年，天文学家却在仙后座方向确认了一个射电源；3年后，天文学家确认了它发出的可见光辐射。经过研究，天文学家确定这是一个超新星遗迹。它被命名为“仙后座A”（Cassiopeia A，简称Cas A），与地球的距离约为11000光年。根据理论分析，天文学家推测这颗超新星发出的光在大约300多年前（公元1667年，或1671年，或1680年）到达地球；但是，当时世界上并没有关于这颗超新星的可靠记载。一些天文学家认为仙后座A是一个大质量恒星爆发后形成的超新星的遗迹，并推测：它可能在爆发前就喷发出过多物质，这些物质遮掩了恒星，使得恒星爆发为超新星之后发出的大部分光被这些物质严重地吸收，从而使当时的地球上的人类无法用肉眼清晰地看到它。
图：哈勃的ACS拍摄的超新星遗迹仙后座A的可见光与近红外合成图像。这是ACS拍摄多片区域之后拼接成的图。图中区域宽度约为27光年，高度约为20光年。仙后座A以每秒大约4000到6000千米的速度膨胀。当前，它的直径已经扩展到十几光年。图中发出可见光的物质呈丝絮状。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgement: Robert A. Fesen (Dartmouth College, USA) and James Long (ESA/Hubble)https://www.spacetelescope.org/images/heic0609a/ 奇怪的知识：最年轻的银河系超新星遗迹。仙后座A并不是至今为止最年轻的超新星遗迹。1984年，天文学家在人马座方向发现了一个新的射电源，它是一颗超新星的遗迹。据估计，这颗超新星发出的光在1890到1908年之间的某个时间照射到地球，但地球上的人类没有观测到它。此后的X射线望远镜也探测到它发出的X射线辐射。它被命名为G1.9+0.3，是银河系内被发现的最年轻的超新星遗迹。它与地球的距离是27700光年，所以他其实是所有被观测到的银河系内超新星中最早爆发的，只是因为距离最远，它发出的光最晚到达地球，因此被称为银河系内最年轻的超新星遗迹。
在天鹅座方向有一个著名的面纱星云，它在天空中的视角达到3度，是满月视角的6倍，是哈勃上面的照相机的视场宽度的60多倍，因此，哈勃的单次拍摄只能拍摄到它的一小部分。要想拍摄出它的全貌，哈勃必须拍摄几千个区域，然后再拼接。长期以来，它的距离无法被精确确定，导致人们也无法推断它的大小与年龄。直到2018年，天文学家才确定出它的距离是2400光年。根据它的视角与距离，可以计算出它的直径大约是126光年。
图：哈勃的WFPC2拍摄的面纱星云的三个局部区域的可见光图像。它是一颗质量大约为太阳20倍的恒星爆炸后形成的超新星。据估计，爆发后发出的光在大约10000到20000年前到达地球。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration.https://www.spacetelescope.org/images/heic0712a/ https://www.spacetelescope.org/images/heic0712b/ https://www.spacetelescope.org/images/heic0712c/
图：数字化巡天2 (Digitized Sky Survey 2) 拍摄的面纱星云的全貌以及哈勃WFPC2的3次拍摄的区域。Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and the Digitized Sky Survey 2.https://www.spacetelescope.org/images/heic0712d/ 前面说过，从1604年开普勒超新星被记录至今，人类再也没有观测到银河系内爆发的超新星。但是，银河系的卫星星系之一的大麦哲伦云星系却给了人类一个惊喜：1987年，人类观测到了这个星系内爆发的一颗超新星，它被命名为SN 1987A。它是人类在1609年首次使用天文望远镜以来，看到的的最亮的超新星。由于SN 1987A所在的大麦哲伦云星系与地球的距离约16万光年。因此，SN 1987A爆炸后发出的光经过16万年的跋涉，才于1987年2月到达地球，被人类观测到。SN 1987A爆发之后，里面的物质迅速向外扩散，速度达到每秒2700千米。在它爆发之前大约2万年，它喷发出的物质就形成了一个三环结构；在它爆炸之后，超新星物质很快就撞击到中间的那个环，产生的冲击波加热了环与超新星中的物质，使其发出强烈的光芒，如同珍珠项链一样美丽。
Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1142a/ 随着时间的推移，中间那个环的亮度不断变化。哈勃记录了过去20多年来这个环的亮度演化。
图：哈勃拍摄的超新星SN 1987A的遗迹在1994年到2006年的演化。Credit: NASA, ESA, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation) and P. Challis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)https://www.spacetelescope.org/images/heic1704b/ 大麦哲伦云星系富含气体，里面形成恒星的速度比较快，因此也会产生较多超新星。除了上面提到的SN 1987A之外，比较著名的超新星遗迹有SNR B0509-67.5 (简称SNR 0509)。它位于剑鱼座方向，具有一个明显的壳层结构，直径达到23光年，正在以每秒钟5000千米以上的速度向外膨胀。
图：哈勃拍摄的超新星遗迹SNR B0509-67.5 (简称SNR 0509)的可见光与近红外合成图像。2006年10月28日，哈勃的ACS拍摄了这个超新星遗迹中的氢发出的光；2010年11月4日，哈勃的WFC3拍摄了这个超新星遗迹周围的恒星。此图为这两次成像的叠加。图中区域的宽度约为57光年，宽度约为44光年，SNR 0509的直径约为23光年。Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA).https://www.spacetelescope.org/images/heic1018a/ 与SNR 0509的形态类似的是SNR B0519-69.0 (简称SNR 0519)，它也位于大麦哲伦云星系中。根据它的大小与膨胀速度倒退回去，可以推断出这颗超新星发出的光在大约600年前到达地球，但未被人类记载下来。
图：哈勃的ACS拍摄的超新星遗迹SNR B0519-69.0 (简称SNR 0519)的可见光与图像。图中区域的宽度约为160光年，高度约为78光年。据此可以估计出这个超新星遗迹的直径大约为26光年。Credit: ESA/Hubble & NASA. Acknowledgement: Claude Cornenhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1317a/ LHA 120-N 63A是大麦哲伦云星系中另一个非常漂亮的超新星遗迹。它也位于剑鱼座方向。这颗超新星在爆炸前是一颗大质量恒星，爆发后将大量物质喷发入周围的介质之中。
图：哈勃的WFPC2拍摄的超新星遗迹LHA 120-N 63A的可见光图像。它也位于大麦哲伦云内剑鱼座方向区域。在可见光图像中，它仿佛一只金黄色太空水母。X射线望远镜表明这个金黄色区域只是这个超新星遗迹的核心部分，它的整体外形是一个椭圆，但外部区域发出的可见光不明显。图中区域的宽度约为67光年，高度约为51光年。Credit: NASA, ESA, HEIC, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/heic0507a/ 大麦哲伦云内的LHA 120-N 132D是另一个著名的超新星遗迹。据天文学家分析，它爆发前的质量大约是10到15倍太阳质量。它爆发后，发出的光于大约3000年前达到地球，但人们未找到当时人类对这颗超新星的文字与图像记录。
图：哈勃的ACS与WFC3拍摄的超新星遗迹LHA 120-N 132D的可见光与近红外合成图像。这颗超新星位于大麦哲伦云内部剑鱼座方向区域。超新星爆发后，喷发出的物质形成了超新星遗迹，这些物质扫除周围介质，形成强烈的冲击波，使参与相互作用的物质发出光芒。图中发出品红色的新月状云是氢，发出浅紫色光的丝絮是氧。图中区域的宽度约为154光年，高度约为125光年。Credit: NASA, ESA and the Hubble SM4 ERO Teamhttps://www.spacetelescope.org/images/heic0910j/ 与大麦哲伦云星系齐名的小麦哲伦云星系也是一个天体宝库。小麦哲伦云星系与地球的距离约为20万光年，里面也富含各种星团、各种星云，包括超新星遗迹。在小麦哲伦云星系中，比较著名的超新星遗迹之一是1E 0102.2-7219, 简称E0102。光谱分析表明，这个超新星遗迹富含氧，缺乏氢与氦，因此它的颜色以蓝色为主，与它周围富含氢的星云截然不同，后者发出的颜色以紫红色为主。这意味着它在爆发之前就已经失去了外层的氢与氦，成为一颗沃尔夫-拉叶星，然后再爆炸为超新星。
图：哈勃的ACS与WFPC2拍摄的超新星遗迹E0102的可见光与近红外合成图像，此图结合了ACS于2003年获得数据与WPFC2于1995年获得的数据。图中接近中心处的蓝绿色气体就是E0102，右上角的紫红色区域是一片正在形成恒星的星云，N76。E0102与N76边缘的距离大约是50光年。图中区域的宽度约为174光年，高度约为140光年。Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/opo0635a/ 在上一部分，我们已经领略了一些超新星遗迹的风采。在这一部分，我们将介绍哈勃发现的一些超新星。普通超新星爆发后，最亮时可以达到太阳亮度的几千万到几十亿倍；一些特殊的超新星爆发后，亮度可以达到太阳亮度的几百亿到几千亿倍。这使得它们可以在非常遥远的地方被看到。奇怪的知识：超新星的统一编号规则。超新星编号的规则是：以超新星的英文 (supernova) 的缩写SN开头，后面接一个空格，再接着年份，然后根据英文字母顺序：从A排到Z，再从aa排到az, 再从ba排到bz, ……，再从za排到zz。aa到zz全部排完后，还从aaa开始到aaz, 以此类推。例如，SN 1987A表示1987年被编号的第一个超新星。不同的观测小组还可以给自己发现的超新星另外的编号，比如哈勃发现的一些超新星就可以以“HST”开头，泛星计划 (Pan-STARRS) 发现的超新星的编号以PS开头，等等。2014年1月21日，伦敦大学的一个小组首先发现了一颗Ia型超新星，它的编号是SN 2014J，它是2014年被编号的第10颗超新星。SN 2014J位于星系M82之中，距离地球仅1200万光年。这是1987年以来人类发现的最近的超新星，也是自1972年以来被发现的最近的Ia型超新星。天文学家用Ia型超新星作为标准烛光，测量宇宙各处的星系的距离，从而确定宇宙膨胀的速度。
图：哈勃的WFC3于2014年1月31日拍摄了Ia型超新星SN 2014J的图像。这个星系的图像是2006年哈勃ACS拍摄的图。两张图被合成为这张图。Credit: New supernova image: NASA, ESA, A. Goobar (Stockholm University), and Hubble Heritage; Image of Messier 82: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA).https://www.spacetelescope.org/images/potw1409a/ 奇怪的知识：Ia型超新星与标准烛光。根据超新星的“光谱”——将光分解为精细的“彩虹”，就是光谱——超新星被分为两大类：不含有氢特征线的I型与包含氢特征线的II型。I型又被分为Ia, Iax, Ia-CSM, Ib, Ibn与Ic型。其中Ia与Iax型超新星是白矮星爆炸的产物。不同的Ia型超新星的亮度差异相对较小，而且这些差异可以通过某些方法调整到非常小，使其就像某种规则统一的蜡烛发出的光，真实亮度相同。因此，天文学家将Ia型超新星作为标准烛光。在SN 2014J被发现之前，比较著名的Ia型超新星之一是SN 1994D，它是1994年被编号的第4颗超新星。下图是超新星SN 1994D与它所在的星系的图像。这颗超新星位于透镜星系NGC 4526外缘。NGC 4526位于室女座方向，距离地球约5000万光年。
图：哈勃拍摄的超新星SN 1994D的图像。图中视角为0.49角分。Credit: NASA/ESA, The Hubble Key Project Team and The High-Z Supernova Search Teamhttps://www.spacetelescope.org/images/opo9919i/ SN 1993J是非常著名的一颗近距离超新星。SN 1993J是一颗IIb型超新星。虽然它与地球的距离达到了1100万光年，但这个距离在天文的尺度上，依旧很小。哈勃拍摄这张照片时，与首次探测到这颗超新星的时刻已经隔了21年，但仍能测出这颗超新星发出的光芒。天文学家猜测，使IIb型超新星失去大部分氢的“元凶”是它们的伴星。在超新星爆发之后，伴星虽然受到一定的冲击，但却依然会幸存下来。哈勃探测到了SN 1993J的伴星发出的强烈紫外线，证实了这个猜想。
图：哈勃的ACS与WFC3拍摄的超新星SN 1993J的可见光与近红外合成图像。这颗超新星位于旋涡星系M81之中，距离地球1100万光年。大图中白色十字标记的地方与小图中白色箭头标记的就是这颗超新星的位置。Credit: NASA, ESA, A. Zezas (CfA), and A. Filippenkohttps://www.spacetelescope.org/images/opo1438c/ 奇怪的知识：IIb型超新星。上面说过，光谱中有氢的超新星被划分为II型。II型超新星还可以被细分为IIP, IIL, IIn, IIb等类型。IIb型超新星爆发后的早期显示出氢的特征线，像II型超新星；到了晚期，氦特征线出现，像Ib型超新星。因此，它们被天文学家命名为“IIb”型。它们显得如此奇怪是因为：它们在爆发前失去了外层的绝大部分氢，因此早期还能显示氢特征线，到了晚期，氢消散了，就显示出氦特征线。星系NGC 7424之中的SN 2001ig也是一个IIb型超新星，它位于天鹤座方向，距离地球约4000万光年。作为一个一颗IIb型超新星，它也必然有一颗伴星。哈勃的高分辨率观测确认出它的伴星。
图：超新星SN 2001ig与它的伴星。左边的小图为甚大望远镜 (VLT) 于2002年拍摄的这颗超新星的图像，中间小图为双子望远镜 (Gemini) 于2004年拍摄的这颗超新星的图像，右边小图为中间小图中的一小块区域，哈勃于2006年拍摄到这颗超新星的伴星的图像。Credit: NASA, ESA, S. Ryder (Australian Astronomical Observatory), and O. Fox (STScI)https://www.spacetelescope.org/images/opo1820a/ 奇怪的知识：人类是超新星的产物。宇宙早期只形成氢、一部分氦与极少量锂。宇宙中比锂重的元素，如氧、硫、磷、硅等，都是在恒星内部合成的。超新星爆发后，恒星内部合成的这些元素都被抛到太空，与此同时，超新星爆发后合成的放射性镍56衰变为钴56，钴56再衰变为稳定的铁56。我们的地球上的氧、硫、磷、硅、铁等元素都来自超新星爆发后抛出的物质。人身体上的这些元素自然也来自超新星。因此，卡尔·萨根说：我们都是星尘。SCP 06F6也是哈勃曾经拍摄过的一个重要的特殊超新星。它的距离一度无法被确定，针对它的真实亮度与起源有多种不同的说法：有的认为它是小行星与白矮星碰撞产生的；有的认为它是黑洞吞并白矮星产生的；有的认为它是异常明亮的超新星。直到2011年，天文学家才确定出它的距离是124亿光年，是85亿年前就爆发的超新星。确定了它的距离之后，天文学家就计算出它的亮度，确定它是一个异常明亮的超新星，亮度达到普通超新星的几十倍以上，这类超新星被称为“超亮超新星”。
图：哈勃的ACS于2006年5月21日拍摄的超亮超新星SCP 06F6的近红外图像，此时它还在继续变亮。Credit: NASA, ESA and K. Barbaryhttps://www.spacetelescope.org/images/opo0904d/ 除了拍摄过特别亮的超新星之外，哈勃还拍摄了一些特别暗的超新星。2008年11月，14岁的Caroline Moore在发现了一颗在不规则星系UGC 12682中爆发的超新星，成为当时为止最年轻的超新星发现者。UGC 12682与地球的距离大约为7000万光年，位于飞马座方向。这颗超新星的亮度只有一般的超新星亮度的100分之1左右。它的膨胀速度也低，这意味着它释放出的能量也低。
图：哈勃的WFC3拍摄的超新星SN 2008ha与它所在的星系UGC 12682。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://www.spacetelescope.org/images/potw1828a/ 天文学家曾经认为所有大质量恒星都会以超新星爆发的方式结束生命。在这个图景中，大质量恒星演化到生命的晚期时，会先向内收缩，核心被压缩为一颗中子星，外层物质砸到核心上面，被反弹出去，向外爆炸，在其他过程的助推下，成为超新星。最后，核心留下了中子星。在有些时候，核心留下的中子星会收缩为黑洞。但过去一些年，天文学家却发现，有一些大质量恒星没有爆炸为超新星，但却突然消失了。这样的结果意味着有一部分大质量恒星并不会以超新星的方式结束生命，它们的核心收缩时会直接收缩为黑洞，大部分物质落下去之后不会被反弹出去，而是会被直接吸入黑洞之中。这样的事件被称为“失败的超新星”。哈勃在过去一些年就发现了好几例失败的超新星的前身星，例如N6946-BH1。这颗恒星位于旋涡星系NGC 6946，距离地球大约2200万光年，它被命名为N6946-BH1；其中，N6946表示它所在的星系是NGC 6946, BH为黑洞的英文 (black holes) 的缩写——天文学家相信它已经收缩为黑洞。
图：哈勃的WFPC2于2007年拍摄到的一颗恒星，在2015年哈勃的WFC3拍摄的图像中消失了。这颗恒星并未爆发为超新星，这意味着它已经直接收缩为黑洞，成为一颗“失败的超新星”。Credit: NASA, ESA, and C. Kochanek (OSU)https://www.spacetelescope.org/images/opo1719b/ 据估计，N6946-BH1在爆发之前的质量是太阳的25倍。2009年，这颗恒星的亮度达到了太阳的100万倍，并持续了几个月。经过那几个月的发光之后，它突然消失了，2015年的照片已经看不到它，仅探测到少量红外线。虽然它曾经达到太阳亮度的100万倍，但它并不是超新星，因为超新星的亮度一般是太阳亮度的几亿到几十亿倍；即使最暗的超新星，亮度也有太阳的几千万倍。天文学家认为，这颗恒星没有爆发为超新星，而是直接收缩为黑洞，成为失败的超新星。由于恒星都存在自转，有一部分物质不会立即全部落入黑洞，而是会在黑洞周围形成一个盘，盘发出的光以红外线为主，总亮度远低于超新星的亮度。大质量恒星爆发为超新星后，中心留下中子星或黑洞。中子星像一台发电机，不断将能量辐射出去，将周围的物质加热，使其发出各种辐射。我们在上面看到的超新星遗迹中，那些由大质量恒星爆炸后留下的遗迹，在哈勃的眼中都比较亮，就是因为中子星的辅助加热作用导致的。相反，像SN 1006这样的超新星，发出的可见光与红外线已经比较微弱，它们只能依靠内部的冲击波制造出各种射电辐射、X射线辐射与伽玛射线辐射。
图：哈勃的ACS拍摄的RX J0806.4-4123的近红外线图像，见图中圆圈内的点。理论分析猜测，这些红外线可能是一个恒星的遗迹形成的盘发射出来的，也可能是中子星发出的高能带电粒子流与中子星周围的介质气体相互作用后产生的。Credit: NASA, ESA, and B. Posselt (Pennsylvania State University)https://www.spacetelescope.org/images/opo1843c/ 随着时间的消逝，超新星遗迹会迅速消失，但中心的中子星依然存在，一边自转，一边辐射出各种粒子，并渐渐冷却。但是，故事并未就此结束。如果一个双星系统由两颗大质量恒星构成，它们分别爆炸后就有以下三种结局：1、都留下中子星；2、都留下黑洞；3、一个留下中子星，另一个留下黑洞。这样的中子星-中子星、黑洞-黑洞系统、中子星-黑洞系统都会在将来几亿年到几十亿年之后并合，发出强烈的引力波。中子星-中子星系统并合，还会抛出一些中子星物质，黑洞-中子星并合，也有可能抛出一部分中子星物质。这些中子星物质会迅速解压，并在内部合成各种重元素。其中一些放射性重元素会衰变、裂变，产生的能量加热了这些物质，使其发出辐射。这些辐射以红外线为主，可见光与紫外线数量相对少，它们的总亮度是超新星亮度的几十分之一，但比一般的“新星”亮大约1000倍，因此被称为“千新星”。第一颗被确认的千新星是2017年8月被发现的AT 2017gfo (SSS 17a)，它位于NGC 4993，距离地球约1440万光年，这在宇宙中，是一个很近的距离。AT 2017gfo由一对中子星并合后产生。多个地面望远镜先后独立发现了这颗千新星。此后，更多望远镜对这颗千新星进行了后续观测。哈勃的ACS与WFC3分别观测了它发出的可见光与近红外线辐射。事实上，这颗千新星的紫外线与可见光辐射迅速变暗，红外线亮度的降低却相对平缓得多。它晚期红外线亮度的演化主要由哈勃得到。
图：哈勃的ACS与WFC3观测的人类千新星AT 2017gfo (SSS 17a) 的可见光与近红外线成像合成图。小方框中的天体就是这颗千新星，大方框中从左到右依次是哈勃于2017年8月22日、26日与28日拍摄的千新星的图像。Credit: NASA and ESA. Acknowledgment: A.J. Levan (U. Warwick), N.R. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)https://www.spacetelescope.org/images/heic1717a/ 奇怪的知识：千新星与黄金、白银、稀土的起源。根据现在的理论，至少有一部分金、银与稀土来自千新星爆发后遗留下来的遗迹。所以当你看到金灿灿的黄金时，不要忘了远古宇宙中的某次中子星并合事件，它可能制造出大量黄金，并将其中一部分输送到地球。早在1934年，巴德与兹威基就提出：超新星来自大质量恒星的塌缩与爆炸。1965年，霍伊尔与福勒提出：有一部分超新星来自白矮星的爆炸。但人们却长期以来无法直接验证这两个猜测。直到1987年，大麦哲伦云星系中的超新星SN 1987A被天文学家探测到，此后天文学家在过去拍摄的大麦哲伦云的照片中找到了超新星爆发的位置，发现了一颗蓝超巨星，证明这颗恒星就是SN 1987A的前身星，从而直接证实了至少有一部分超新星来自大质量恒星的爆炸。在超新星爆发之后，寻找它爆炸前的图像，是此后天文学家确定超新星前身星的最重要方法。但是，大多数超新星在几百万甚至几千万到上百亿光年之外的星系中爆发，而那些星系中分布着密集的恒星，要从过去的图像中分辨出超新星的前身星，对望远镜的分辨力的要求非常高。而高分辨率正是哈勃的优势之一。对于距离小于6500万光年以内的星系，哈勃的分辨率使得它可以区分出相邻20光年以内的两颗恒星，从而可以分辨出单个恒星。这相当于在100千米之外分辨出相距3厘米的两只蚂蚁。在某些情况下，哈勃可以分辨出1亿甚至1.3亿光年远的星系中的一些恒星。当天文学家发现距离小于6500万光年以内的星系中的超新星之后，就可以去找出此前哈勃拍摄的照片，定出超新星的位置，不断放大，直到找到对应位置的恒星。通过这种方式，天文学家至少确认了几十个超新星的前身星，它们都是大质量恒星。下图左侧彩图是星系M51图像，它与地球的距离是2500万光年，小于6500万光年，因此其中的一些恒星可以被一一分辨出来。在下图的绿色方框内曾经爆发过一颗超新星SN 2005cs。天文学家查找哈勃拍摄过的M51的照片，在这颗超新星的位置处找到了一颗恒星。正是这颗恒星的爆炸，制造出超新星SN 2005cs。
图：哈勃拍摄的M51（左）、M51中爆发的超新星（右下）与这个超新星的前身星（右上，白色箭头所指）。右下图在这颗超新星被发现12天后拍摄。在超新星SN 2005cs被确认之后，天文学家从哈勃过去拍摄的照片中找到了这颗超新星对应的恒星，确定它就是SN 2005cs的前身星。Credit: NASA, ESA, W. Li and A. Filippenko (University of California, Berkeley), S. Beckwith (STScI), and The Hubble Heritage Team STScI/AURA)https://www.spacetelescope.org/images/opo0521a/ 超新星SN 2012Z位于波江座方向的NGC 1309之中，距离地球约1亿光年。在这颗超新星被发现之后，天文学家从哈勃2005年与2006年拍摄的NGC 1309的图像中找出了它所在的位置的图像。天文学家推测，这个超新星的前身星是一个双星系统，由一个白矮星与一个氦星构成，氦星的物质流向白矮星，最终导致白矮星爆炸为超新星。
图：哈勃的ACS与WFC3拍摄的旋涡星系NGC 1309（大图）、NGC 1309中爆发的超新星（右小图）与这个超新星的前身星（左小图）。这颗超新星在星系中的位置在大图顶端用白色十字标出。这是一颗Iax型超新星，比普通的Ia型超新星暗。Credit: NASA, ESA, C. McCully and S. Jha (Rutgers University), R. Foley (University of Illinois), and Z. Levay (STScI)https://www.spacetelescope.org/images/opo1432a/ 相比于II型超新星的前身星，I型超新星的前身星更难确认。SN 2017ein就是一颗I型超新星，更精确的说法是：它是Ic型超新星。理论研究认为，这类超新星在爆发前其前身星失去了所有的氢与大部分氦。SN 2017ein位于NGC 3938之中，距离地球大约6500万光年，位于大熊座方向。天文学家于2017年探测它发出的光，然后在哈勃2007年拍摄的NGC 3938的图像中，找到了它的前身星。
图：哈勃的WFPC2于拍摄的星系NGC 3938（大图）与哈勃的WFC3拍摄的超新星SN 2017ein（右边小图）。根据SN 2017ein所在的位置，天文学家在NGC 3938中找出了它爆发前的恒星（左边小图），它就是这颗超新星的前身星。这颗超新星与前身星的位置在大图中用垂直的两个线段标出。Credit: NASA, ESA, S. Van Dyk (Caltech), and W. Li (University of California) https://www.spacetelescope.org/images/opo1847b/
文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。
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