互联网时代的超新星搜索

 

资料图：史上最强超新星爆发ASASSN-15lh的想像图。（图片来源：北京天文馆马劲）

 

“互联网+超新星搜索”

 

传统的专业天文台巡天搜索系统是很复杂的，只有那些具备足够天文知识、掌握很多物理和数学方法的专业人士才可以做到。哪怕是业余天文台的爱好者们也需要熟练掌握各种软件的使用，目标的辨识，数据的测量处理，以及提交专业的英文报告。

 

“互联网+”是当下最火的词语，“互联网+”就是利用互联网的平台，利用信息通信技术，把互联网和传统结合起来，在新的领域创造一种新的生态，以一种全新的、简单的、便捷的、高用户体验的方式解决传统的复杂事情。

 

星明天文台公众超新星搜寻项目（Popular Supernova Project，以下简称PSP系统）简单地说就是“互联网+天文台传统巡天项目”，造就了国内首个全民科学（Citizen Science）项目。但是实际的效果绝不是简单的相加，为普通公众在欣赏宇宙之美的同时，有了参与天文新发现的可能。

 

“互联网+”之下的超新星搜索只需要在电脑前打开PSP系统网站，点点鼠标就可以进行看图搜索，发现可疑目标也只需要提交等待高级用户的查验。甚至通过手机版PSP系统，还可以在手机上玩转超新星搜索发现。

 

星明天文台公众超新星搜寻项目新年再获发现成果

 

——记星明天文台2016年第一颗、笔者第十二颗超新星发现

 

发现

 

1月15日晚上星明天文台天气晴好，天文台一如既往的开始了巡天计划，并且PSP系统从当晚21:00开始每小时放出一批搜索图片。笔者（徐智坚）作为高级用户也参与了实时的搜索，鼠标一直在“没有可疑目标”的按钮上迅速的点着。直到当晚0:00的一批搜索图片时，突然出现了一个一个暗弱的光斑，由于目标亮度较暗很像一个噪点，但是直觉告诉笔者这是一个很可疑的候选目标，便立即做了标记并提交“这是可疑目标”（如下图红圈）。

 

 

查验

 

对于普通用户接下来只需要等待高级用户的排查、验证。由于笔者是PSP系统高级用户，便立即开始进行目标的核查，并联系其他高级用户进行判断。排查、验证的过程需要非常严谨，首先需要查看原图排除CCD热噪点的可能，其次通过归算测量目标的坐标，排除小行星以及已知超新星，最后由星明天文台台长高兴老师再次对目标进行确认拍摄。很幸运的是这次排除了一切可能，并在重新拍摄的图片中确认了候选目标的真实存在。最终，高级用户将该目标判断回复为“新目标，准备上报”，笔者与徐佳一、谭瀚杰两位爱好者一起享有了这颗超新星的发现。

 

 

确认图片，2x60s叠加

 

上报

 

候选目标的发现将提交给国际天文联合会超新星工作组（IAU Supernova Working Group），如今的报告提交也采用了互联网在线提交方式。需要填写很详细的发现时间、坐标、亮度、发现者信息、所用设备信息、滤镜、误差等内容。经过反复的核查确认无误后，将我们的候选目标完成上报。

 

光谱验证

 

正式确认超新星的发现，需要专业天文台对候选目标进行光谱观测，确定超新星的类型。星明天文台与国内专业天文台已经有过多次合作经历，当晚星明天文台的负责人高兴老师立刻联络中国科学院云南天文台的天文学家，请求光谱观测。云南天文台张居甲、清华大学王晓峰两位天文学家使用丽江2.4米望远镜当晚就进行了一次光谱观测，可惜信噪比不够理想，第二天再次进行了光谱观测。最终经过几天的光谱分析，确认了该候选目标为一颗Ⅱb型超新星。

 

Ⅱ型核塌缩超新星

 

超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸，是最激烈的天体物理现象。星系中的超新星爆发经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月（甚至一年）才会逐渐衰减变暗。2016年1月，中国科学家观测到最强超新星，是太阳亮度的5700亿倍。

 

天文学家把超新星按它们光谱上的不同元素的吸收线来分成数个类型：I型：没有氢吸收线。其中Ia型：没有氢、氦吸收线，有硅吸收线；Ib型：没有氢吸收线，有氦吸收线；Ic型：没有氢、氦、硅吸收线。Ⅱ型：有氢吸收线。经典的观点认为，Ia型超新星的形成需要一个双星系统，一颗巨星，一颗白矮星。质量极大的白矮星从巨星吸取氢物质，当白矮星质量达到钱德拉塞卡极限（1.44个太阳质量）时，由于热核反应不稳定性导致核聚变放出大量的能量，将外层的物质以很高的速度喷射出去发生爆炸，白矮星则极快地塌陷为中子星或黑洞。

 

而当质量至少是太阳质量9倍的大质量恒星由于内部塌缩引发的剧烈爆炸则是Ⅱ型超新星。Ⅱ型超新星，也称为核塌缩超新星。一般来说Ⅱ型超新星会有氢原子吸收能量特征的巴尔默吸收线—，这条谱线的出现可以用来与Ia超新星有所区别。

 

风格迥异的Ⅱ型超新星

 

由于质量至少是太阳质量9倍的大质量恒星具有相当复杂的演化风格，因此Ⅱ型超新星的爆炸有多种不同的类型。

 

依据爆炸后的光度曲线（如下图）来分类可以分为ⅡL型超新星和ⅡP型超新星。ⅡL型超新星在经过亮度极大值后，亮度随即稳定的线性下降。而ⅡP型超新星在亮度下降一段时间后会趋于一个平稳阶段，称之为“高原”，才会再持续正常的线性下降。之所以ⅡP型超新星的光度曲线中的会有平稳的高原区，是因为爆炸中产生的激波电离了外层中的氢原子，从而使外层变得不透明度，阻止了内部爆炸产生的光子透过外层逸出。当外层的氢离子冷却后重新组合成原子后，外层区域又变得透明，才会恢复正常的线性下降。

 

光度对爆炸后的时间变化图

 

Ⅱ型超新星光谱存在诸多反常特性。根据光谱的反常特性，又可以分为Ⅱn型超新星和Ⅱb型超新星。Ⅱn型超新星有可能诞生于喷射物与恒星周围物质的相互作用。

 

Ⅱb型超新星更为特殊，可以认为是Ib型超新星和Ⅱ型超新星的中间型。Ⅱb型超新星的前身可能是一颗大质量的巨星，在其伴星的交互作用下失去了绝大多数但不是全部的氢元素外层，只留下几乎全部是氦的核心。在Ⅱb型超新星爆发的一开始会显示出氢光谱线，所以归类为Ⅱ型，随着继续爆发膨胀，余下的氢元素外层很快会变得透光从而能够展露出里面充满氦的内层结构，因此具有强烈的氦光谱线，同时从光度曲线中反应，在第一个高峰之后有第二个高峰，这又非常类似于Ib型超新星。

 

最典型的Ⅱb型超新星是1993年3月28日由西班牙天文学家弗兰西斯科·加西亚发现的编号为SN 1993J的超新星。它位于大熊座的河外星系M81，距离约为850万光年，最亮时视星等为10.8等，它是二十世纪第二亮的超新星，仅次于位于大麦哲伦星系的SN 1987A。

 

 

互联网拉近了民众与科学之间的距离

 

星明天文台公众超新星搜寻项目是科普积极拥抱“互联网+”新时代下的一次创新，让民众能够更好的接触原本高深的科学知识，探索宇宙的奥秘。通过互联网的方式将科普传递到全民当中去。

 

天文学是一个复合学科，物理学家、化学家、数学家、工程机械专家都对这门学科的发展发挥过重要作用，很多非专业人士作出了重大的发现，成为某个领域的奠基人。时至今日，天文学研究已经越来越艰深，普通人作天文研究的可能性变得微乎其微，但是天文爱好者仍然在天文观测领域发挥着重要作用。天文研究的每一次重大进步都离不开天文观测，有了公众的参与，就多了无数双投向浩瀚宇宙的眼睛，由此生成的大数据更是为科学研究提供了海量的基础信息和样本。而互联网技术则为公众参与天文大数据的采集和分析提供了便捷通道，从这个意义上来说，拉近公众与天文学之间的距离，既是普及科学知识，提高全社会科学意识需要，也是拓展科研视野，采集科研数据的需要。作者：徐智坚（南京天文爱好者协会副秘书长） 陈向阳（紫金山天文台）