科学家发现了一颗前所未见的超新星SN2021yfj，该星体在失去几乎所有外层物质后爆发。它未显现轻元素，而是从恒星深层揭示了硅和硫元素——这直接证明了星体的层状结构。此项发现挑战了现有理论，表明恒星的死亡方式可能比教科书预测的更为奇特。
当大质量恒星爆炸时，天体物理学家通常会探测到氢和氦等轻元素的强烈特征。然而，新发现的超新星SN2021yfj却呈现出截然不同的惊人化学特征。
天文学家长期以来推测大质量恒星具有类似洋葱的分层结构。最外层主要由最轻的元素组成。随着层向内移动，元素变得越来越重，直至到达最内部的铁核。
对SN2021yfj的观测表明，这颗大质量恒星在爆炸前以某种方式失去了外部氢、氦和碳层——暴露出富含硅和硫的内层。这一发现为长期理论推测的巨星内部层状结构提供了直接证据，并前所未有地揭示了大质量恒星在爆炸性死亡前一刻的深内部景象。
该研究于8月20日发表在《自然》Nature期刊上。
"这是我们首次观测到一颗恒星被基本剥得只剩骨架，"领导这项研究的西北大学史蒂夫·舒尔策表示，"它揭示了恒星的构造方式，并证明恒星在爆炸前能够损失大量物质。它们不仅能失去最外层，还能被完全剥离殆尽，同时仍能产生我们可在极远距离观测到的明亮爆炸。"
"此次事件确实看起来与以往所见截然不同，"该研究的资深作者、西北大学亚当·米勒补充道，"其怪异程度几乎让我们怀疑是否观测错了目标。这颗恒星告诉我们，关于恒星演化的既有理论和观点过于狭隘。并非教科书内容错误，但它们显然未能完全涵盖自然界产生的所有现象。必定存在某些我们未曾考虑过的、更为特殊的大质量恒星生命终结途径。"
作为研究极端天文瞬变现象的专家，舒尔策是西北大学天体物理跨学科探索与研究中心（CIERA）的研究员。米勒是西北大学温伯格文理学院物理与天文学助理教授，同时也是CIERA和美国国家科学基金会-西蒙斯天空人工智能研究所的核心成员。
炽热的燃烧洋葱
大质量恒星质量是太阳的10至100倍，其能量源自核聚变。在此过程中，恒星核心的极端高压与高温使轻元素聚变生成重元素。当核心温度与密度升高时，外层开始燃烧。随着恒星演化，核心依次燃烧更重的元素，而较轻元素则在围绕核心的一系列壳层中燃烧。该过程持续进行，最终形成铁核。铁核坍缩时，会触发超新星爆炸或形成黑洞。
虽然大质量恒星通常在爆炸前会剥离外层，但SN2021yfj喷射的物质远超科学家以往观测到的任何记录。其他"剥离型恒星"的观测曾揭示氦层或碳氧层——这些是在外层氢包层丢失后暴露出来的。但天体物理学家从未窥见过比这更深层的景象——暗示着某种极其剧烈且非同寻常的现象正在发生。
追踪宇宙异象
2021年9月，舒尔策及其团队利用西北大学对兹威基瞬态设施（ZTF）的使用权发现了SN2021yfj。位于圣迭戈东部的ZTF采用广角相机扫描整个可见夜空。自启用以来，ZTF已成为全球天文瞬变现象（如超新星等突然爆发又迅速消退的短暂现象）的主要发现引擎。
舒尔策在分析ZTF数据时，发现距地球22亿光年的恒星形成区存在一个极高光度天体。
为获取该神秘天体的更多信息，团队希望获得其光谱——光谱可将分散的光分解成组成颜色。每种颜色代表不同元素。因此通过分析超新星光谱，科学家能揭示爆炸中存在的元素。
尽管舒尔策立即采取行动，但光谱搜寻屡屡受挫。全球望远镜要么不可用，要么因云层遮挡无法获取清晰图像。幸运的是，团队意外获得天文学同行的帮助——对方利用夏威夷W.M.凯克天文台的设备采集到了光谱。
"我们原以为已彻底丧失观测机会，"米勒表示，"因而失望入睡。但次日上午，加州大学伯克利分校的同事意外提供了光谱。若无此光谱，我们可能永远无法意识到这是场奇特异常的爆炸。"
"我们观测到一次有趣的爆炸，但当时不明其性质，"舒尔策谈及SN2021yfj时说道，"几乎瞬间我们就意识到这是前所未见的现象，因此必须动用所有可用资源进行研究。"
"必定发生了剧烈事件"
与其他剥离型超新星中常见的氦、碳、氮和氧不同，该光谱主要由硅、硫和氩的强烈信号主导。这些较重元素是大质量恒星生命末期在其深内部通过核聚变产生的。
"这颗恒星失去了其一生中产生的大部分物质，"舒尔策解释道，"因此我们只能看到其爆炸前数月内形成的物质。必定发生了极其剧烈的事件才导致这种现象。"
虽然该现象的确切成因仍是未解之谜，但舒尔策和米勒推测涉及某种罕见而剧烈的过程。他们正在探索多种可能场景，包括与潜在伴星的相互作用、大质量恒星爆炸前的喷发，甚至异常强烈的恒星风。
但最可能的是，团队认为这颗神秘超新星是一颗大质量恒星自我撕裂的结果。当恒星核心在自身引力下向内挤压时，会变得更热更致密。极端高温与密度以惊人强度重新点燃核聚变，产生强大能量爆发，将恒星外层物质推开。恒星每经历一次成对不稳定性事件，相应脉动就会剥离更多物质。
"最近一次壳层喷射与先前存在的壳层发生碰撞，产生了我们观测到的SN2021yfj明亮辐射，"舒尔策指出。
"尽管我们提出了自然界制造此次特殊爆炸的理论，"米勒表示，"但我不会用性命担保其正确性，因为我们仅发现这一个案例。这颗恒星真正凸显了发掘更多此类稀有超新星的迫切性——这对深入理解其本质及形成机制至关重要。"
这项题为"极端剥离型超新星揭示硅硫形成区"的研究获得了美国国家科学基金会支持。CIERA的资助提供了获取ZTF望远镜数据的权限。