當恆星脫殼時：超新星深層與重元素起源
大質量恆星有著如洋蔥般層狀結構。最外層主要由最輕的元素組成，逐層向內，元素逐漸變重，直到最深處核心鐵層，該理論為目前普遍接受的觀點，然而，過去對大質量爆炸恆星（即超新星）的觀測，多半僅能偵測到輕元素（如氫與氦）的強烈訊號。
近日，由以色列魏茲曼科學研究院與其他研究機構組成的國際團隊研究研究成果（獲選刊登在《自然Nature》雜誌封面）表示，發現了一種前所未見的超新星，其光譜中富含矽、硫與氬等重元素。這顆被命名為 SN2021yfj 的巨星，根據觀測結果分析後發現，該超新星出現了在依舊存活時就已失去外層這種罕見現象，讓科學家們得以一窺巨星深層結構。這個發現不僅為巨星內部層狀結構提供直接證據，並首次地揭示了恆星在爆炸死亡前的深層內部構成。
現任西北大學研究員（曾是以色列魏茲曼科學研究院 Avishay Gal-Yam 教授團隊成員）的 Steve Schulze 博士表示：「這是我們首次看到一顆幾乎被剝到見骨的恆星，它直接展現出恆星的內部結構，並且證明即使失去外層，仍能產生我們能從極遙遠宇宙中觀測到的燦爛爆炸現象。」
儘管大質量恆星（質量是太陽的 10 至 100 倍）的規模龐大，卻能在短短一瞬間內坍縮，而其爆炸所釋放的強光通常能持續數週被觀測到。2021 年 9 月，Schulze 與同事利用位於美國加州聖地牙哥的 Zwicky Transient Facility 望遠鏡（該望遠鏡配備有廣角相機來掃描整片夜空），補捉到 SN2021yfj 的閃光。檢視資料後，在距地球 22 億光年的一個恆星形成區域辨認出一個極為明亮的天體。為了進一步研究了解這個神祕天體，研究團隊需要取得其光譜（將光分散成不同顏色，每一種顏色代表一種元素），透過分析超新星的光譜，科學家能判斷爆炸中存在哪些元素。
然而，雖然Schulze 立刻展開行動，但接連遭遇困難。首先世界各地多座望遠鏡不是無法使用，就是被雲層阻擋無法獲得清晰影像。最終，美國加州大學柏克萊分校的一位同事成功取得所需的光譜數據。研究團隊驚訝地發現，SN2021yfj 的光譜並非由其他剝離型超新星常見的氦、碳、氮與氧主導，而是矽、硫與氬的強烈訊號。這些相對較重元素，是大質量恆星在生命末期內部深處透過核融合所生成的。
一般而言，大質量恆星在爆炸前會失去外層，但過去研究對剝離恆星的觀測，僅顯示出氦或碳、氧層（失去外氫層後所暴露出的元素層）。科學家們從未得以窺見更深層。此研究成果顯示出SN2021yfj 拋射出的物質規模遠超以往觀測，讓研究團隊得以史無前例地深入核心，檢測到更重的元素。
Schulze 表示：「一定發生了極劇烈的事件，才使得這顆恆星失去了其一生所累積的大部分物質。也因此我們只能觀測到它在爆炸前幾個月形成的物質，這代表著必然有劇烈過程導致這樣的結果。」
隸屬以色列魏茲曼科學研究院 Gal-Yam 團隊暨超新星資料庫專家 Ofer Yaron 博士補充解釋：「深層內核暴露現象，挑戰了現有關於巨星如何失去質量、剝離外層並且在最終以超新星形式爆炸的理論。」
目前，科學家正在探索多種可能性，包括與伴星的交互作用、大規模的超新星爆發前噴發，甚至異常強烈的恆星風。但最可能的情況是，這顆神秘巨星如同字面意義所表示的自我撕裂現象所造成。隨著核心在自身重力作用下持續向內收縮，溫度與密度急遽升高。極端高溫以及極高密度以驚人強度重新點燃核融合，釋放出強大的能量，將恆星外層推開。此外，研究人員推測，這次爆炸可能源自於前後遭推出的兩個外層相撞所造成。然而，確切原因目前仍無法完全解釋。
以色列魏茲曼科學研究院粒子物理與天體物理系的 Gal-Yam 教授表示：「發現全新物理現象總是令人驚訝，並且伴隨著極大滿足感。當我看到 Schulze 博士的數據時，立刻意識到我們正在見證從未有人觀測過的事件。一旦辨認出矽、硫與氬的光譜特徵，就明顯呈現出這是一個重大突破。得以窺探巨星深處將有助於我們理解重元素的緣起。構成我們身體與周遭世界的每一個原子，都曾在宇宙某處被創造，並在數十億年的時間裡經歷無數轉變才來到此處，因此追溯其起源與形成過程極為困難。現在看來，巨星的內層正是這些重要且相對較重元素的產生地。」
至今已被研究的超新星事件超過 25,000 起，但 SN2021yfj 是首次在爆炸光譜中呈現出重元素證據的事件，也凸顯出此類爆炸極為罕見。
資料來源：
https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/giant-star-laid-bare-reveals-birthplace-silicon-and-sulfur?utm_medium=social&utm_source=organic&utm_campaign=silicon+star+eng
原始論文：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09375-3
