科学家们发现了一颗史无前例的超新星SN2021yfj，它在失去几乎所有外层物质后发生爆炸。不同于常见的轻元素喷发，这次爆炸揭示了恒星深层喷发出的硅和硫元素——这直接证明了恒星的分层结构。该发现挑战了现有理论，暗示恒星的死亡方式可能比教科书预言的更为奇异。
当大质量恒星爆炸时，天体物理学家通常会发现氢和氦等轻元素的强烈特征。但新发现的超新星SN2021yfj却显示出惊人不同的化学特征。
天文学家长久以来推测，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。随着向内层移动，元素变得越来越重，直至到达最内侧的铁核。
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其外部氢、氦和碳层——暴露出富含硅和硫的内层。这一发现为长期推测的恒星巨体内部分层结构提供了直接证据，并在其爆炸性死亡前的瞬间，前所未有地揭示了大质量恒星深层内部的景象。
该研究于8月20日发表在《自然》Nature期刊上。
"这是我们首次看到一颗恒星几乎被剥得只剩骨架，"领导这项研究的西北大学史蒂夫·舒尔策（Steve Schulze）表示。"它向我们展示了恒星的构造方式，并证明了恒星在爆炸前可以损失大量物质。它们不仅能失去最外层，还能被完全剥离殆尽，仍能产生我们可从极遥远距离观测到的明亮爆炸。"
"这个事件确实看起来前所未见，"该研究的资深作者、西北大学的亚当·米勒（Adam Miller）补充道。"它怪异到我们甚至怀疑是否观测错了目标。这颗恒星告诉我们，关于恒星如何演化的现有观点和理论太过狭隘。并非教科书错误，但它们显然未能涵盖自然界产生的一切现象。大质量恒星终结生命的方式必然存在我们未曾考虑的、更为奇特的途径。"
作为天体物理学极端暂现现象领域的专家，舒尔策是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的研究助理。米勒是西北大学温伯格文理学院的物理与天文学助理教授，同时是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。
炽热燃烧的洋葱
大质量恒星的质量是太阳的10至100倍，由核聚变提供能量。在此过程中，恒星核心的极端高压和高温导致轻元素聚变生成重元素。当核心温度和密度升高，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。此过程持续进行，最终形成铁核。当铁核坍缩时，会触发超新星爆炸或形成黑洞。
尽管大质量恒星通常在爆炸前脱落外层，但SN2021yfj抛射的物质远超科学家以往探测到的任何记录。对其他"剥离恒星"的观测曾揭示在失去外层氢包层后暴露的氦层或碳氧层。但天体物理学家从未观测到比这更深层的结构——暗示着某种极其剧烈且非凡的事件必然参与其中。
追猎宇宙异象
2021年9月，舒尔策及其团队利用西北大学对兹威基瞬变设施（ZTF）的使用权发现了SN2021yfj。位于圣地亚哥东部的ZTF使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事件）的主要发现引擎。
筛选ZTF数据后，舒尔策在距地球22亿光年的恒星形成区发现了一个异常明亮的物体。
为获取更多关于此神秘物体的信息，团队希望获取其光谱——即将弥散光分解为组成颜色的数据。每种颜色代表不同元素。因此通过分析超新星光谱，科学家可揭示爆炸中存在的元素。
尽管舒尔策立即行动，但其光谱搜寻屡遭挫折。全球望远镜要么无法使用，要么因云层遮挡无法获取清晰图像。幸运的是，团队意外获得一位天文学同行的帮助，对方使用夏威夷W.M.凯克天文台的仪器采集了光谱。
"我们以为彻底失去了获取观测数据的机会，"米勒说。"因此我们失望地睡了。但次日上午，加州大学伯克利分校的同事意外提供了光谱。没有那份光谱，我们可能永远不会意识到这是一次奇特异常的爆炸。"
"我们看到了有趣的爆炸，但完全不明白它是什么，"舒尔策如此描述SN2021yfj。"我们几乎立即意识到这是前所未见的现象，因此需要动用一切可用资源进行研究。"
"必然发生了剧烈事件"
与其他剥离超新星中常见的氦、碳、氮和氧不同，该光谱主要呈现硅、硫和氩的强信号。这些重元素是由大质量恒星生命末期在其深层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。必然发生了非常剧烈的过程导致这一结果。"
虽然此现象的确切成因仍是未解之谜，但舒尔策和米勒推测存在某种罕见而强大的过程。他们正在探索多种可能情景，包括与潜在伴星的相互作用、超新星爆发前的巨大喷发，甚至异常强烈的恒星风。
但最有可能的是，团队认为这颗神秘超新星源自大质量恒星自我撕裂的过程。当恒星核心在自身引力下向内挤压时，其温度和密度急剧升高。极端的热量和密度以惊人强度重新点燃核聚变，产生强大能量爆发，将恒星外层物质推离。恒星每次经历新的对不稳定性事件，相应的脉冲就会抛射更多物质。
"最近一次壳层抛射物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，"舒尔策表示。
"虽然我们提出了自然界产生此次特殊爆炸的理论，"米勒说，"但我不会用性命担保其正确性，因为我们至今仅发现一例。这颗恒星真正凸显了需要发现更多此类稀有超新星，以更好地理解其本质和形成机制。"
这项题为"极度剥离超新星揭示硅硫形成位点"的研究获得了美国国家科学基金会的支持。CIERA提供的支持使获取ZTF望远镜数据成为可能。