国科大领衔！中外科学家合作首证这一超新星双星起源

超新星是宇宙中最剧烈的天文爆发现象之一，是时域天文学时代的核心研究课题。在近邻宇宙中，富含氢元素的II-P型超新星约占全部超新星数量的35%-40%，揭示其起源于何种前身星对于理解大质量恒星演化、爆发机制、致密天体形成等重大科学问题具有至关重要的意义。理论界早在数十年前便推测此类超新星可能源于双星系统，近年研究甚至显示其双星起源比例高达30%-50%。

然而，单星和双星起源的前身星，在爆发前都会进入红超巨星阶段，其相似的观测特征为追溯起源机制带来了显著挑战。这也导致II-P型超新星的前身星研究长期局限于单星演化框架，其双星起源始终缺乏确凿的观测证据。

近日，由中国科学院大学（以下简称国科大）天文与空间科学学院和中国科学院国家天文台副教授孙宁晨领衔的国际研究团队取得重大突破。团队在《科学通报》（Science Bulletin）上发表了题为《一个II-P型超新星的双星并合前身星》（A binary merger product as the direct progenitor of a Type II-P supernova）的研究论文，首次为II-P型超新星的双星起源提供了强有力的观测证据。

超新星SN 2018gj在宿主星系中的位置，并艺术呈现了其双星前身星演化至爆发的完整过程（牛泽茜绘制）。背景图像来自哈勃空间望远镜拍摄的宿主星系实景，其中插图为该红超巨星前身星于2009年被直接探测到的图像。

团队在研究过程中，成功捕捉到了II-P型超新星SN 2018gj的前身星。尽管该前身星的恒星大气参数与其他II-P型超新星前身星相似，然而，它反常地位于宿主星系边缘异常年老的环境中，且超新星的光变曲线呈现出异常短暂的“平台期”。为解开谜团，团队创新性地融合了前身星直接探测、环境星族分析，以及爆发过程的流体动力学模拟等关键手段，成功证实这些观测特征指向该超新星的双星起源。团队还借助新一代双星演化模拟程序，成功揭示出该前身星系统经历的一系列双星间质量交换及并合的复杂演化历史。

左侧和中间图展示了基于观测数据得到的SN 2018gj前身星的三个关键参数，与双星演化模型（图中黑线）和单星演化模型（图中彩色背景）对比。右侧图展示了该双星前身星系统在赫罗图上的完整演化轨迹。

孙宁晨指出，此项工作是观测天文学家与理论天文学家深度交叉合作的典范，不仅为II-P型超新星的双星起源这一长期悬而未决的问题提供了可靠证据，也为搜寻更多“隐藏”的超新星起源开辟了新路径。随着中国空间站巡天空间望远镜、JWST、LSST、司天工程等国内外新一代天文设施的投入使用，未来有望发现更多未知起源的超新星事件。

来自孙宁晨团队的国科大特别研究助理牛泽茜也补充道：“这项工作还凸显了双星相互作用在塑造超新星多样性上起到的关键作用。”

英国牛津大学天体物理系教授Philipp Podsiadlowski表示：“这项研究的一大亮点，就是利用哈勃和斯皮策太空望远镜等设备，对所有可能性进行了仔细分析，完整揭示了这颗超新星及其前身星的来龙去脉。我们终于首次证实了这类超新星长期预测、但一直未被观测到的双星并合前身星。”

国科大特别研究助理牛泽茜为第一作者，孙宁晨、希腊IA-FORTH研究所和雅典大学博士Emmanouil Zapartas为共同第一作者，孙宁晨和国科大博士生导师、中国科学院国家天文台研究员刘继峰为通讯作者。合作团队还包括来自清华大学、中国科学院云南天文台等机构的研究人员，以及来自英国、美国、爱尔兰、瑞士等地的天文学家。本研究获得中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金、新基石科学基金会、希腊研究创新基金会等资助。

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来源：中国科学院大学

编辑：彭渴芯