困扰天文学家20多年的超亮超新星之谜，解开了？

超高光度超新星之谜

当一颗大质量恒星耗尽燃料时，它的核心就会坍缩，并最终以一场壮观的超新星爆发结束自己的生命。在这场爆发中，恒星的外层会被猛烈抛入太空，而其核心则坍缩成一个密度高得惊人的致密天体：要么是中子星，要么是黑洞。

大多数超新星都遵循一种可预测的演化过程，其亮度沿着一条平滑的曲线先上升，再随着被抛出物质层的膨胀和冷却而逐渐变暗。这些超新星足够明亮，其亮度甚至能盖过其宿主星系。

2003年，天文学家发现了一类更为罕见的超新星——超高光度超新星，其亮度超过此前所见的一切。自那之后，天文学家又探测到了数百例这样的超新星，它们比普通超新星要亮上10到100倍，而且大部分超高光度超新星的光变曲线常会出现一些神秘的起伏，即短暂的亮度跃升。

关于究竟是什么导致了超高光度超新星的超高亮度以及亮度中的起伏，一直存在激烈争论。为了解释这些疑问，天文学家提出了多种可能性。

2010年，理论物理学家提出，这种奇特的发光现象的能量来源可能是一颗磁陀星——这种天体是一种具有极强磁场、快速旋转的中子星。他们提出，当一颗大质量恒星在生命终结时发生坍缩，会将自身很大一部分质量压缩成一颗极其致密的中子星，这距离进一步坍缩成黑洞只差一步。但假如这颗恒星原本就具有非常强的磁场，那么在形成磁陀星的过程中，这一磁场就会被进一步放大，达到普通自转中子星，即脉冲星的磁场强度的100到1000倍。

随着磁陀星的高速自转，它旋转的磁场能够加速带电粒子，这些带电粒子撞向正在膨胀的超新星抛射残骸，从而提升超新星的亮度。

如今，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队在分析了一个名为SN 2024afav的超高光度超新星中奇怪的周期性起伏后发现，它的亮度起伏的确遵循一种只能由磁陀星造成的模式。此外，新研究也在超新星天体物理学与广义相对论之间架起了桥梁。

起伏中的异常“啁啾”

距离地球约10亿光年的SN 2024afav最早由ATLAS（由四台望远镜组成的观测网络）于2024年12月发现。随后，当时，由全球27台望远镜组成的LCO对这一事件持续跟踪了200多天。

观测显示，SN 2024afav的亮度迅速升至超亮水平，随后在超亮水平维持了一段时间，之后又在3个月的时间跨度里逐渐变暗。研究人员注意到，在变暗的过程中，它的亮度在整体下降的同时，还在缓慢振荡，最终形成了一连串的四个起伏。

这些起伏具有清晰的正弦式周期形态，而且这个周期正在迅速缩短，形成了“啁啾”。换言之，这四次起伏的每次起伏间的时间间，隔会随着时间推移而缩短，在最后两次起伏之间，这一间隔从大约50天缩短到了大约20天。

研究人员开始思考这种现象可能如何产生，因为这个信号看起来结构性太强，不像是随机相互作用造成的。然而，没有任何一种现有模型能够解释这样一种会随着时间推移而越来越快的起伏模式。这让他们想到了磁陀星。

磁陀星如何制造啁啾？

当一颗磁陀星形成时，部分被恒星抛出的物质可能又回落到磁陀星附近，形成一个由物质构成的盘，也就是所谓的吸积盘。研究人员提出，由于磁陀星周围的物质分布不太可能是对称的，这个吸积盘相对于那颗旋转的磁陀星也不会呈对称分布，从而导致磁陀星的自转轴与吸积盘的旋转轴之间出现错位。

而根据广义相对论，旋转的质量会拖曳周围的时空，因此这颗旋转的磁陀星会产生一种称为兰斯-蒂林进动的效应——也就是说，它会使这个与其轴线错位的吸积盘发生摆动。这个摆动的吸积盘可以周期性地遮挡和反射来自磁陀星的光，使整个系统像一座频闪的宇宙灯塔。一次这样的重复所需的时间，会随着吸积盘半径的减小而缩短，因此，当吸积盘逐渐向磁陀星内落时，它摆动得也会越来越快，从而使光在整体变暗的同时振荡得越来越快，形成地球上的望远镜所观测到的“啁啾”信号。

艺术想象图：中间是一颗磁陀星，周围有一个因广义相对论效应而发生进动的吸积盘；同时，有些模型还认为，这颗磁陀星可能会沿着自转轴喷出高速的带电粒子喷流。（图/Joseph Farah and Curtis McCully/Las Cumbres Observatory）

不过，兰斯-蒂林进动并不是唯一能够让吸积盘摆动的效应。因此，研究团队又测试了几种不同的解释，包括纯粹的牛顿力学效应，以及由磁陀星磁场驱动的进动，但只有兰斯-蒂林进动能够与观测到的时间特征完美吻合：结果显示，这一模型既能够再现SN 2024afav的亮度振荡，也能再现这颗超新星的一般性质——上升时间、峰值亮度和衰减率。此外，他们还发现，该模型也能解释先前对那些振荡采样不够充分的超高光度超新星所做的观测。

研究人员表示，这是第一次必须借助广义相对论来描述超新星的动力学机制。

利用观测数据，研究人员还估算出这颗磁陀星的自转周期为4.2毫秒，以及其磁场强度大约是地球磁场的300万亿倍。这两项特征都表明它是一颗磁陀星。

证据与展望

不过，这并不意味着所有超高光度超新星都由磁陀星供能。还有另一种理论解释：爆炸恒星产生的激波撞上其周围的物质，从而使亮度略有上升。此外，如果恒星核心坍缩后形成的是黑洞，那么它也可能为一颗更明亮的超新星提供能量；而如果它周围同样存在一个与其轴线错位的吸积盘，也可能在光变曲线上产生起伏。

不过，倘若天文学家能在未来继续用这一模型成功解释超高光度超新星的观测结果，那么这一解释的置信度就会增加。随着薇拉·鲁宾天文台即将投入运行，并开始迄今为止最全面的夜空巡天观测，研究人员预计很快就会发现更多这样的“啁啾型”超新星。

未来，这类年轻超新星猛烈而极端的中心区域，或许也将成为检验广义相对论的新“实验室”。

#参考来源：

https://news.berkeley.edu/2026/03/11/astronomers-capture-birth-of-a-magnetar-confirming-link-to-some-of-universes-brightest-exploding-stars/

https://news.ucsb.edu/2026/022435/ucsb-researcher-bridges-worlds-general-relativity-and-supernova-astrophysics

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00490-3

https://www.science.org/content/article/universe-s-brightest-stellar-explosions-may-be-powered-highly-magnetic-neutron-stars

#图片来源：

封面图&首图：Joseph Farah and Curtis McCully/Las Cumbres Observatory