互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的超新星搜索

 

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

 

“互聯(lián)網(wǎng)+超新星搜索”

 

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

 

“互聯(lián)網(wǎng)+”是當(dāng)下最火的詞語(yǔ)，“互聯(lián)網(wǎng)+”就是利用互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，利用信息通信技術(shù)，把互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，在新的領(lǐng)域創(chuàng)造一種新的生態(tài)，以一種全新的、簡(jiǎn)單的、便捷的、高用戶體驗(yàn)的方式解決傳統(tǒng)的復(fù)雜事情。

 

星明天文臺(tái)公眾超新星搜尋項(xiàng)目（Popular Supernova Project，以下簡(jiǎn)稱PSP系統(tǒng)）簡(jiǎn)單地說就是“互聯(lián)網(wǎng)+天文臺(tái)傳統(tǒng)巡天項(xiàng)目”，造就了國(guó)內(nèi)首個(gè)全民科學(xué)（Citizen Science）項(xiàng)目。但是實(shí)際的效果絕不是簡(jiǎn)單的相加，為普通公眾在欣賞宇宙之美的同時(shí)，有了參與天文新發(fā)現(xiàn)的可能。

 

“互聯(lián)網(wǎng)+”之下的超新星搜索只需要在電腦前打開PSP系統(tǒng)網(wǎng)站，點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)就可以進(jìn)行看圖搜索，發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)也只需要提交等待高級(jí)用戶的查驗(yàn)。甚至通過手機(jī)版PSP系統(tǒng)，還可以在手機(jī)上玩轉(zhuǎn)超新星搜索發(fā)現(xiàn)。

 

星明天文臺(tái)公眾超新星搜尋項(xiàng)目新年再獲發(fā)現(xiàn)成果

 

——記星明天文臺(tái)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(tái)天氣晴好，天文臺(tái)一如既往的開始了巡天計(jì)劃，并且PSP系統(tǒng)從當(dāng)晚21:00開始每小時(shí)放出一批搜索圖片。筆者（徐智堅(jiān)）作為高級(jí)用戶也參與了實(shí)時(shí)的搜索，鼠標(biāo)一直在“沒有可疑目標(biāo)”的按鈕上迅速的點(diǎn)著。直到當(dāng)晚0:00的一批搜索圖片時(shí)，突然出現(xiàn)了一個(gè)一個(gè)暗弱的光斑，由于目標(biāo)亮度較暗很像一個(gè)噪點(diǎn)，但是直覺告訴筆者這是一個(gè)很可疑的候選目標(biāo)，便立即做了標(biāo)記并提交“這是可疑目標(biāo)”（如下圖紅圈）。

 

 

查驗(yàn)

 

對(duì)于普通用戶接下來(lái)只需要等待高級(jí)用戶的排查、驗(yàn)證。由于筆者是PSP系統(tǒng)高級(jí)用戶，便立即開始進(jìn)行目標(biāo)的核查，并聯(lián)系其他高級(jí)用戶進(jìn)行判斷。排查、驗(yàn)證的過程需要非常嚴(yán)謹(jǐn)，首先需要查看原圖排除CCD熱噪點(diǎn)的可能，其次通過歸算測(cè)量目標(biāo)的坐標(biāo)，排除小行星以及已知超新星，最后由星明天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)高興老師再次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)拍攝。很幸運(yùn)的是這次排除了一切可能，并在重新拍攝的圖片中確認(rèn)了候選目標(biāo)的真實(shí)存在。最終，高級(jí)用戶將該目標(biāo)判斷回復(fù)為“新目標(biāo)，準(zhǔn)備上報(bào)”，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(rèn)圖片，2x60s疊加

 

上報(bào)

 

候選目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)將提交給國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)超新星工作組（IAU Supernova Working Group），如今的報(bào)告提交也采用了互聯(lián)網(wǎng)在線提交方式。需要填寫很詳細(xì)的發(fā)現(xiàn)時(shí)間、坐標(biāo)、亮度、發(fā)現(xiàn)者信息、所用設(shè)備信息、濾鏡、誤差等內(nèi)容。經(jīng)過反復(fù)的核查確認(rèn)無(wú)誤后，將我們的候選目標(biāo)完成上報(bào)。

 

光譜驗(yàn)證

 

正式確認(rèn)超新星的發(fā)現(xiàn)，需要專業(yè)天文臺(tái)對(duì)候選目標(biāo)進(jìn)行光譜觀測(cè)，確定超新星的類型。星明天文臺(tái)與國(guó)內(nèi)專業(yè)天文臺(tái)已經(jīng)有過多次合作經(jīng)歷，當(dāng)晚星明天文臺(tái)的負(fù)責(zé)人高興老師立刻聯(lián)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)的天文學(xué)家，請(qǐng)求光譜觀測(cè)。云南天文臺(tái)張居甲、清華大學(xué)王曉峰兩位天文學(xué)家使用麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡當(dāng)晚就進(jìn)行了一次光譜觀測(cè)，可惜信噪比不夠理想，第二天再次進(jìn)行了光譜觀測(cè)。最終經(jīng)過幾天的光譜分析，確認(rèn)了該候選目標(biāo)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(shí)經(jīng)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(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并可持續(xù)幾周至幾個(gè)月（甚至一年）才會(huì)逐漸衰減變暗。2016年1月，中國(guó)科學(xué)家觀測(cè)到最強(qiáng)超新星，是太陽(yáng)亮度的5700億倍。

 

天文學(xué)家把超新星按它們光譜上的不同元素的吸收線來(lái)分成數(shù)個(gè)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(jīng)典的觀點(diǎn)認(rèn)為，Ia型超新星的形成需要一個(gè)雙星系統(tǒng)，一顆巨星，一顆白矮星。質(zhì)量極大的白矮星從巨星吸取氫物質(zhì)，當(dāng)白矮星質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡極限（1.44個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）時(shí)，由于熱核反應(yīng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致核聚變放出大量的能量，將外層的物質(zhì)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(dāng)質(zhì)量至少是太陽(yáng)質(zhì)量9倍的大質(zhì)量恒星由于內(nèi)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(lái)說Ⅱ型超新星會(huì)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(lái)與Ia超新星有所區(qū)別。

 

風(fēng)格迥異的Ⅱ型超新星

 

由于質(zhì)量至少是太陽(yáng)質(zhì)量9倍的大質(zhì)量恒星具有相當(dāng)復(fù)雜的演化風(fēng)格，因此Ⅱ型超新星的爆炸有多種不同的類型。

 

依據(jù)爆炸后的光度曲線（如下圖）來(lái)分類可以分為ⅡL型超新星和ⅡP型超新星。ⅡL型超新星在經(jīng)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(shí)間后會(huì)趨于一個(gè)平穩(wěn)階段，稱之為“高原”，才會(huì)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(huì)有平穩(wěn)的高原區(qū)，是因?yàn)楸ㄖ挟a(chǎn)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(nèi)部爆炸產(chǎn)生的光子透過外層逸出。當(dāng)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(huì)恢復(fù)正常的線性下降。

 

光度對(duì)爆炸后的時(shí)間變化圖

 

Ⅱ型超新星光譜存在諸多反常特性。根據(jù)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(zhì)的相互作用。

 

Ⅱb型超新星更為特殊，可以認(rèn)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(zhì)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(huì)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(huì)變得透光從而能夠展露出里面充滿氦的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，因此具有強(qiáng)烈的氦光譜線，同時(shí)從光度曲線中反應(yīng)，在第一個(gè)高峰之后有第二個(gè)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(xué)家弗蘭西斯科·加西亞發(fā)現(xiàn)的編號(hào)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(wàn)光年，最亮?xí)r視星等為10.8等，它是二十世紀(jì)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(wǎng)拉近了民眾與科學(xué)之間的距離

 

星明天文臺(tái)公眾超新星搜尋項(xiàng)目是科普積極擁抱“互聯(lián)網(wǎng)+”新時(shí)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(xué)知識(shí)，探索宇宙的奧秘。通過互聯(lián)網(wǎng)的方式將科普傳遞到全民當(dāng)中去。

 

天文學(xué)是一個(gè)復(fù)合學(xué)科，物理學(xué)家、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家、工程機(jī)械專家都對(duì)這門學(xué)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(gè)領(lǐng)域的奠基人。時(shí)至今日，天文學(xué)研究已經(jīng)越來(lái)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(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。天文研究的每一次重大進(jìn)步都離不開天文觀測(cè)，有了公眾的參與，就多了無(wú)數(shù)雙投向浩瀚宇宙的眼睛，由此生成的大數(shù)據(jù)更是為科學(xué)研究提供了海量的基礎(chǔ)信息和樣本。而互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則為公眾參與天文大數(shù)據(jù)的采集和分析提供了便捷通道，從這個(gè)意義上來(lái)說，拉近公眾與天文學(xué)之間的距離，既是普及科學(xué)知識(shí)，提高全社會(huì)科學(xué)意識(shí)需要，也是拓展科研視野，采集科研數(shù)據(jù)的需要。作者：徐智堅(jiān)（南京天文愛好者協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)） 陳向陽(yáng)（紫金山天文臺(tái)）