每十秒钟，在宇宙的某个地方，就有一颗恒星爆炸。这些超新星中的一小部分——每年大约几百颗——发出的光到达地球上，让天文学家们仔细研究。研究超新星对于深入了解宇宙至关重要，因为它们喷出的辐射、尘埃和气体有助于塑造星系、形成新的恒星和行星，并使宇宙充满重元素。但大多数都是如此遥远，以至于我们只能用一些来之不易的光子来猜测它们确切的恒星起源，以拼凑出它们划时代出现的不完整的详细描述。然而，今年早些时候，天文学家发现一颗超新星在2100万光年之外爆发——在可观测宇宙的940亿光年宽度中，这是一箭之遥——这使它成为十年来观测到的离地球最近的超新星。由于这颗恒星离我们很近，天文学家们现在正在拼凑出它最后几天的大量细节，并对这些天体物理灾难如何展开和塑造整个宇宙产生了新的见解。
5月19日，日本业余天文学家Koichi Itagaki首次发现了这颗超新星，编号为SN 2023ixf。几乎是在同一时间，专业观察人士立即采取了行动。亚利桑那大学的Griffin Hosseinzadeh利用哈勃太空望远镜、夏威夷的国际双子座天文台和加利福尼亚的利克天文台等设施说:“整个超新星社区都尽快开始研究这个问题。”很快，他们就确定了这颗超新星位于风车星系(也被称为M101)内的某个地方。从那里开始，最初的任务之一是寻找真正爆炸的恒星，这对于超新星来说有点罕见。值得庆幸的是，英国中央兰开夏大学的乔安妮·普莱杰(Joanne Pledger)此前曾作为博士后研究人员花时间研究M101。“我们在哈勃太空望远镜上有时间，”她说。通过在2010年初的星系图像中放大超新星的位置，Pledger成功地确定了引起它的恒星。“这是一个巨大的变化，”她说。“那里已经有大量的数据。”
普莱杰的发现证实了罪魁祸首是一颗红超巨星。这类恒星是宇宙中最大的恒星之一，半径是太阳的1500倍，质量是我们的母星的40倍。但2023ixf的恒星并没有如此倾斜。人们认为它的半径只有太阳的420倍，质量是太阳的20倍。这与天文学家最初将这一事件认定为所谓的II型超新星相吻合。II型超新星是指一颗大质量恒星耗尽核燃料，自我坍缩，并在外层从其耐用的核心反弹后爆炸喷出，留下一颗中子星或黑洞。这样的恒星在生命的后期会变得臃肿，在以超新星的形式消亡之前，就会从外层大气中吹出残留的气体和尘埃。天文学家团队能够探测到2023ixf的星周物质，因为超新星向外膨胀并撞向它，产生了可识别的冲击波。“这不是我们第一次看到这种情况，”Hosseinzadeh说。“但细节从来没有这么好。”
在超新星发现后的两周内，加州大学伯克利分校的Wynn Jacobson-Galán和他的同事们发现了“超新星冲击波撞击这个致密外壳”的明确证据，他说。他们从这些观测中估计，在爆炸前的几年里，这颗恒星的质量损失了不到1%。虽然看起来很小，但这个数量“超过了我们对红超巨星的期望，”Jacobson-Galán说。“这可能表明，我们对红超巨星在爆炸前的最后几年里是如何进化和死亡的无知。”
这样的后续工作揭示了更多关于这些事件如何丰富星系的信息。“它告诉我们恒星是如何失去质量的，这对星系的演化有很大的影响，”亚利桑那大学的Azalee Bostroem说，她领导了哈勃望远镜对2023ixf的观测。“它告诉我们哪些恒星爆炸是哪种类型的超新星。”反过来，它可以揭示超新星本身的动力学——我们看到的能量是完全来自爆炸，还是部分来自超新星冲击波对周围碎片的影响。博斯特罗姆说:“所有这些都与恒星爆炸时留下的物质数量有关。”
之前也有一些争论，关于这些喷出的物质是会在恒星周围形成一个球体，还是会形成一些更不对称的形状。2023ixf的结果表明是后者，这标志着科学家们对超新星冲击波与周围星周物质之间快速演变的相互作用的最早的详细观察。同样来自加州大学伯克利分校的Sergiy Vasylyev说:“我们认为这种物质很可能呈圆盘状结构。”超新星的喷出物在撞击这个圆盘时膨胀成“沙漏形”。这可能指出了II型超新星进化的一个令人惊讶的多样性来源，这是由于碎片盘相对于爆炸的主星的不同方向而产生的。“它告诉你，这些事件是多种多样的，”瓦西里耶夫说。
先前的观测揭示了这颗恒星的另一个有趣的特征，那就是它一直在脉动——大小变化很大。众所周知，红超巨星在其生命的结局中会产生这样的脉动。但到目前为止，还没有在后来爆炸为超新星的祖恒星中发现过这种现象。美国国家科学基金会国家光学红外天文学研究实验室(NOIRLab)的Monika Soraisam和她的同事们表明，这颗恒星经历了亮度的剧烈振荡，在大约1000天的时间里，它的大小反复膨胀和缩小了大约50%，然后像一个充气过多的气球在最后一次向特别膨胀的状态摆动时爆炸。
脉动和超新星并不被认为是直接相关的。Soraisam说，前者是由一种“完全不同”的机制引起的，即通过恒星大气的能量流动的不稳定性。然而，人们对这种不稳定性的了解仍然很少，这使得它们之间确实存在某种联系的可能性——这正是帮助研究人员预测其他红超巨星何时爆炸的那种东西。(例如，猎户座的红色超巨星参宿四近年来一直在脉动。天体物理学家认为这是最终形成超新星的不详征兆，但目前，他们估计这样的事件仍可能在未来10万年发生。)“这就是2023ixf的有趣之处，”Soraisam说。“非常接近爆炸，我们仍然看到非常有规律的变化。”
超新星2023ixf的确切“味道”也需要加以限制。最初，它被归类为富氢II型超新星的一个子类，称为II-P型，在这种类型的超新星中，超新星的余辉在继续沉入黑暗之前会暂停一段时间(P代表“高原”)。天文学家现在认为它是II-L型(或“线性”)爆炸，亮度下降得更稳定。“通常情况下，在大约40天内，你应该看到高原，”伊恩夏普说，他是英国的业余天文学家，也是提出2023ixf是线性的工作的合著者。“我们没有看到任何停滞的证据。所以我们认为这是一个l。”然而，产生这两种不同类型超新星的确切机制尚不清楚。“‘我们不知道’是简短的回答，”博斯特罗姆说。她说，P和L之间的差异可能取决于一颗垂死的恒星在爆炸死亡之前能留住多少外层的氢。她说:“失去的质量越多，氢包层就越小，而且可能下降得更陡峭或更线性。”
超新星2023ixf可能会在这个问题上提供一些急需的答案，以及一颗红超巨星如何坍缩并最终爆炸的其他细节。博斯特罗姆说:“我们可以真正测试我们的图像是否从头到尾都经得起检验。”在我们自己的星系中看不到一颗超新星——这是每个现代天文学家充满希望但尚未实现的梦想——风车星系中这一明亮而短暂的奇观可能是未来许多年里检验当代II型超新星模型的最佳机会，并能更好地看到宇宙中释放的创造性破坏。“这方面的研究非常详细和精确，”Jacobson-Galán说。“它真的会成为21世纪被研究得最好的超新星之一。”