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大質(zhì)量恒星演化末期通常會產(chǎn)生核心塌縮超新星爆發(fā)。大量引力勢能瞬間釋放，引發(fā)的激波以約十分之一光速傳播，迅速突破恒星外層，并產(chǎn)生黑體溫度達到十萬開爾文的瞬時輻射。這一極早期信號，也是激波穿透瀕死恒星的軀殼并記錄沿途復(fù)雜物理過程的旅行日志，因而攜帶了激波傳播、超新星爆發(fā)幾何性質(zhì)及周圍環(huán)境等關(guān)鍵信息。高速的激波在短短幾小時內(nèi)便耗散于空間，而現(xiàn)今的觀測記錄也僅限于單色，且都開始于恒星坍縮爆炸后數(shù)小時。因此，我們對恒星死亡這一瞬間的了解仍為空白。

圖1. 左上：藝術(shù)家構(gòu)建的超新星SN 2023ixf爆發(fā)瞬間的激波突破藝術(shù)想象圖（由北京天文館喻京川繪制）；右上：超新星SN 2023ixf 的宿主星系 M101部分圖像（來自哈勃空間望遠鏡https://esahubble.org/images/opo0907h/），其中白色方框指示下方小圖在M101中的位置。下方a-d子圖：紅圈顯示超新星SN 2023ixf爆發(fā)的位置，以及爆發(fā)后在小時時間間隔的亮度和顏色的快速演化。

近日，清華大學(xué)物理系王曉鋒教授團隊與多家國內(nèi)外科研機構(gòu)及天文愛好者合作，在離地球約2200萬光年的風車星系（M101）中捕捉了大質(zhì)量恒星死亡后1小時的瞬間。首次記錄的彩色影像揭示了一顆約8500萬倍太陽體積的紅超巨星從死亡到爆發(fā)，形成超新星2023ixf爆發(fā)的全過程。詳實的多波段觀測清晰地展示了爆發(fā)極早期破繭而出的紅色激波，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色的奇特現(xiàn)象。這一前所未見的彩色影像，顛覆了傳統(tǒng)理論框架下，恒星死亡瞬間伴隨藍色激波突破的預(yù)期。研究團隊認為，由紅轉(zhuǎn)藍的漸變激波預(yù)示了這顆恒星瀕死之時，周圍包裹著厚厚的塵埃殼。隨著激波迅速外傳，這些塵埃在短短數(shù)小時內(nèi)被悉數(shù)摧毀。對這一過程的半解析描述則表明這顆超新星的爆發(fā)，或包裹它的塵埃層，則呈現(xiàn)高度的非球?qū)ΨQ。由紅轉(zhuǎn)藍的激波突破，則如同揭開了籠罩瀕死恒星的一層濃厚的塵埃面紗。此項研究顯著推進了人們對大質(zhì)量恒星晚期演化和死亡這一宇宙中普遍而神秘景象的認知。

圖2. 數(shù)據(jù)點表示超新星SN 2023ixf 的視星等演化曲線（上）與顏色演化曲線（下），黑色實線標示出傳統(tǒng)激波冷卻模型預(yù)測演化曲線，黑色虛線代表考慮塵埃影響后的模型結(jié)果。

該研究成果以《從一顆周圍充滿塵埃的紅超巨星爆發(fā)出的激波閃光》（A shock flash breaking out of a dusty red supergiant）為題于2023年12月14日在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。王曉鋒教授為本文的通訊作者，清華大學(xué)2021級博士生李蓋茨為論文的第一作者。中科院紫金山天文臺博士后胡茂凱、國家天文臺博士后李文雄（物理系2020屆博士畢業(yè)生）及美國加州大學(xué)伯克利分校博士后楊軼為論文共同第一作者。本項目合作團隊還包括云南天文臺、新疆天文臺等研究人員，以及來自星明天文臺、挪威、西班牙、俄羅斯和美國等地的天文學(xué)家和天文愛好者。該項工作受到國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、重點項目、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎以及北京市科學(xué)技術(shù)研究院北科學(xué)者項目等資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06843-6