天文学家解开850年之久的谜团：天空中最奇异的“冰冻烟花”

“王鱼”高空核试验照片（LA-UR-25-31831）。左图拍摄于爆炸后约40毫秒，展示了爆炸内部触须状细丝的形成。右图拍摄于爆炸约256毫秒后，显示了烟花状丝状结构转变为更像花椰菜形态的过程，类似标准超新星遗迹。这一地面实验表明，同源爆炸也可能经历类似Pa 30的进化阶段，而该阶段相比风驱动爆炸寿命较短。图片来源：uux.cn《天体物理学杂志快报》（2025年）。DOI：10.3847/2041-8213/ae267d

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：公元1181年，地球上的观察者仰望天空，目睹了一场天体异常。一位“客星”出现了，闪耀着突如其来的惊人光芒，永不消逝。这名访客在夜空中徘徊了整整六个月，默默见证着时间的流逝，最终消失在黑暗中。近850年来，那道光的记忆只存在于古代记录中，是宇宙浩瀚档案中的冷案。直到最近，天文学家才重新发现了他们认为是那场古老事件的骨骼遗骸。这团被称为超新星残骸（SNR）Pa 30的宇宙碎片云，理应看起来像其他破碎恒星。相反，它呈现了一个极其离奇的形象，难以用传统解释。

当研究人员首次将望远镜转向Pa 30时，他们并没有看到典型的爆炸混乱外壳。相反，他们发现了一种被称为“烟花状形态”的现象。想象一个盛大的结局被定格在一帧胶片中，细长的放射状光丝从中心点向外尖叫。这种视觉结构在超新星遗迹中极为罕见。多年来，科学家们一直在努力理解这些细长、针状的物质丝线如何能保持形状并在近千年间持续存在，而不模糊成混沌的云团。传统的恒星死亡模型根本无法解释这些冰冻星际烟花的持久性和精准度。

Pa 30的谜团始于爆炸本身的性质。大多数超新星是恒星生命的决定性终结——一次彻底的灾难性爆破。然而，发表在《天体物理学杂志快报》上的一项新研究表明，1181年的事件其实更为奇特：一场IIax型超新星。在这种情况下，“x”作为宇宙失败的标志。该恒星未能完成完整的爆炸过程。那是未完成的爆炸，像天界的鞭炮，在任务完成前就熄灭了。

由于爆炸未完成，留下了一个天体悖论：“僵尸星”。这颗中心白矮星是灾难中幸存的核心，一个拒绝死去的幽灵残余。尽管状态饱受摧残，这颗僵尸星却远非安静。它依然极为活跃，驱动着猛烈的恒星风，以超过每秒1万公里的速度向太空真空呼啸。正是这股无情的高速风，而非超新星爆发的初始爆炸，才是烟花表演的秘密所在。

为了理解这些细丝的形成过程，一组研究人员采用了复杂的流体动力学模拟。他们想看看当僵尸恒星的高速风与“环星介质”（CSM）——即恒星早期较为平静时漂离的较慢、较老的气体层——碰撞时会发生什么。这两种力之间的相互作用是流体力学中的一场微妙舞蹈。

过去，一些科学家认为这些模式可能由两种不同类型的流体混沌引起：雷利-泰勒不稳定性（RTI）和开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）。为了直观地理解这些，可以把RTI想象成当重流体叠加在较轻流体之上，导致物质“手指”穿透时发生的现象。而KHI则是不同速度流体相互摩擦时产生的旋转波浪湍流，就像风在海面掀起波浪一样。

团队的模型揭示了一种特定的化学和物理平衡，这解释了为什么Pa 30的外观如此。他们发现，这些烟花状丝状结构是白矮星高密度高速风撞击周围低密度气体界面处雷利–泰勒不稳定性的结果。关键是，模型显示这两层之间的高密度对比实际上抑制了开尔文-亥姆霍兹不稳定性。简单来说，密度差异如此巨大，以至于阻止了旋转湍流撕裂丝状结构。这使得“烟花”细长的放射状线能够保持完整且锋利数百年，而不会被宇宙风模糊。

在寻找描述这一独特结构的方法时，研究作者回顾了人类历史上创造自己微型恒星的时刻。他们将该超新星的形态与美国1962年进行的高空核试验“金鱼”进行了比较。在那次核爆炸的初期阶段，类似的丝状物出现了，像发光的触手一样伸展开来。然而，在Kingfish测试中，这些丝状物迅速消散，瞬间变成了“花椰菜状”的形状。

这一比较为超新星的生命周期提供了重要线索。大多数典型的“同源”爆炸威力远大于造成Pa 30的爆炸。他们很可能经历了与我们在1181年遗迹中看到的类似的“烟花”阶段，但它们是在眨眼间完成的。由于标准超新星爆炸极其剧烈，从尖锐的丝状物转变为混乱的花椰菜状云几乎瞬间发生。

研究人员解释道：“这一结果表明，同源爆炸（即更典型的超新星）可能经历一个形态相更接近Pa 30的阶段，但其时间持续时间比风驱动爆炸更短。”由于1181事件是“弱”爆炸，爆炸过程被放缓。僵尸恒星的风如同稳定的手，维持着通常被彻底毁灭速度掩盖的星际死亡阶段。

这项研究不仅仅是解释望远镜中美丽图像的原理;这是我们理解恒星临终挣扎方式的根本性转变。通过将观测到的风速、密度和温度与他们的模拟结果相匹配，团队证明我们正在经历罕见的“未完成”爆炸。

正如研究作者所解释的，“从高层次来看，我们的模型提出了丝状体的几何、运动学和热力学性质，这些性质与观测结果一致。我们模型的一个重要方面是，出生的WD残余的密集风——而非之前的IIax型超新星喷发——主要决定了Pa 30的烟花形态，这与无线电极限相符，暗示着微弱的爆炸。”

Pa 30就像一台宇宙放大镜，让我们以慢动作观察超新星爆发时发生的复杂流体动力学。它揭示了恒星幽灵的形状不仅由最初的爆炸决定，更取决于幸存者持续的“呼吸”。通过研究这枚已有850年历史的烟花，天文学家们正在更深入地理解支配宇宙中最剧烈、最美丽事件的物理定律，证明即使是“失败”的爆炸，也能留下科学清晰的杰作。

更多信息：Eric R. Coughlin 等人，《超新星残骸 Pa 30 烟花形态的风驱动起源》，《天体物理学杂志快报》（2025年）。DOI：10.3847/2041-8213/ae267d