穿越百年时空的发现

哈勃的发现

1923年12月11日晚，美国天文学家埃德温·哈勃正在威尔逊山天文台对M31进行观测。很快，一个17.5星等的天体引起了他的注意，前几天的底片里这个位置空无一物，他意识到自己发现了一颗位于M31中的新星。

图1 美国天文学家埃德温·哈勃

1929年，哈勃在一篇题为《作为恒星系统的旋涡星云，梅西叶31》(A Spiral Nebula as a Stellar System, Messier 31)的开创性论文中，利用造父变星的周光关系，计算出M31位于27.5万秒差距之外，远远超出所知的银河系的范围，正式宣布了M31是位于银河系之外的天体系统。这一发现打破了当时的认知，扩大了人类所知的宇宙范围，标志着星系天文学的诞生，哈勃本人也被誉为“星系天文学之父”。就在同一篇论文中，哈勃也报告了在M31中新发现的63颗新星，其中就有1923年12月11日晚发现的那颗，他将其编号为[H29] N29。现在它也被称为M31N 1923-12c，意为1923年12月在M31中发现的第3颗新星。

虽然名字叫新星，但它可不是新诞生的天体，恰恰相反，这是一颗类似太阳的较小质量恒星死亡后留下的残骸——白矮星。与太阳这样的主序星相比，白矮星体积小、密度大，每立方厘米的物质质量在0.1～100吨之间。如果白矮星拥有一颗与其距离非常近的伴星，它就会像吸血鬼一样从伴星吸取富含氢的物质，形成白矮星周围的吸积盘。随着吸积的物质越来越多，压力和温度便会慢慢升高。当达到临界温度和临界压力时，就会发生热核聚变反应，在白矮星表面引起爆炸，导致白矮星将部分未燃烧的氢抛射出去。这一系列反应使白矮星的亮度迅速增加7～16星等，于是原本看不见的星星就有可能被我们看见。它的亮度在几天或几星期内迅速达到峰值，然后缓慢下降，几个月到几年后才能恢复到爆发前的状态。

图2 《汉书·天文志》记载 “元光元年六月，客星见于房”

早在公元前134年，我国西汉的史官就曾记录下星空中类似的异象：“元光元年六月，客星见于房”（《汉书·天文志》），他看到的可能就是一颗位于天蝎座方向的新星。翻阅西方的史书，我们可以发现古希腊天文学家喜帕恰斯也对这一现象留下了观测记录。现在一般认为这可能是第一颗中外均有记载的新星，西方将之称为喜帕恰斯新星。从公元前134年到公元17世纪末，我国古代史书一共记录下约90颗可能的新星，它们都是非常珍贵的科学遗产。

河外星系由于距离遥远，新星极为黯淡，所以古代文献中没有对河外新星的记录。有记载的第一颗河外新星是美国天文学家乔治·威利斯·里奇在1909年9月发现的，编号为M31N 1909-09a。即使在现代，我们也只能发现距离比较近的星系中的新星，以M31为例，目前每年一般可以发现其中的数十颗新星。哈勃发现的便是这样一种天体。

再次爆发

时光悠悠，一转眼来到了2012年1月21日。这天晚上，日本业余天文学家西山浩一和椛島冨士夫也在M31中发现了一颗新星候选体，他们将其编号为PNVJ00423804+4108417。一天后，位于美国麦克唐纳天文台的霍比-埃伯利望远镜获取了它的光谱，确认该候选体是M31中的He/N型新星，它现在被编号为M31N 2012-01b。然而更有趣的是，天文学家发现它与M31N 1923-12c来自相同的前身星，也就是说，这是一个少见的再发新星！

图3 M31N 1923-12c（左）与M31N 2012-01b（右）（A.W.Shafter,et al.2015,ApJS,216,34）

与超新星只会爆发一次不同，新星爆发仅抛射白矮星的吸积物，不会破坏双星系统，因此吸积过程可以重新开始，白矮星便可反复发生新星爆发。只记录了一次新星爆发的是经典新星，记录下至少两次新星爆发的则被称为再发新星。理论上大部分新星都会多次爆发，然而已知的再发新星数量非常稀少。截止2020年，已知的再发新星数量为：银河系——10个、大麦哲伦星系——4个、M31——18个，它们相邻两次爆发的时间间隔从几年到几十年不等。

图4 M31N 2008-12a艺术图

2021年8月8日晚，银河系内的再发新星蛇夫座RS时隔15年再次爆发，亮度达到4.5星等，光污染较少的地区裸眼可见，这是它已知的第9次爆发。银河系内的另一颗再发新星天蝎座U爆发更为频繁，它每隔十年左右就会爆发一次，迄今已知10次爆发。M31中的M31N 2008-12a则极端得多，从2008年12月起每年都要爆发一次，至今已观测到13次爆发，天文学家发现其质量已经达到1.38倍太阳质量，非常接近钱德拉塞卡极限（1.44倍太阳质量），并且有着非常高的吸积率，在几十万年内随时可能以Ia型超新星爆发的方式结束生命。

星明天文台再立新功

不知不觉我们来到了2021年7月3日。当天凌晨新疆乌鲁木齐天气晴好，位于南山的星明天文台各设备正常观测。4时许，来自上海的爱好者张宓下载了半米望远镜拍摄的M31核心附近区域的原始图像，在与历史图像比对时，发现当天拍摄的新图多出来一个星点，亮度17.5星等。经过查验，发现该候选体的位置非常接近M31N 1923-12c和M31N 2012-01b，张宓怀疑它是M31N 1923-12c有记录的第三次爆发。因半米望远镜此时已加入公众超新星搜寻项目，为了让更多爱好者参与进来，张宓没有立即上报这一发现。

图5 星明天文台的发现图像

公众超新星搜寻项目是由中国虚拟天文台和星明天文台合作开展的国内首个天文全民科学项目，它的初衷是让任何对新天体搜寻感兴趣的普通民众，都有机会参与到专业的天文发现中来，以期让科学普及真正落实，让人人都关注科学、关心天文，用最简单的方式参与科学研究。星明天文台的半米望远镜于2021年6月7日正式加入公众超新星搜寻项目，与项目中原有的C14合并运行，同时出图，有望提升公众超新星搜寻项目的发现频率。

图6 公众超新星搜寻项目现有设备：C14（左）与HMT（右）

11时，公众超新星搜寻项目网站放出了这批图，但半个小时过去无人提交这一可疑目标。于是，张宓不再等待，立即将该候选体上报至天文电报中央局暂现天体证认页（CBATTOCP，上报链接：http://www.cbat.eps.harvard.edu/unconf/followups/J00423807+4108423.html）和暂现源命名服务网（TNS，上报链接：https://wis-tns.weizmann.ac.il/object/2021rno），该候选体获得编号PNV J00423807+4108423、AT 2021rno，内部编号PSP21B。随后，张宓又联系了芬兰图尔库大学的天文学家Steven Wiliams，告知这一发现，并希望他可以获得该候选体的光谱，以确认其性质。

图7 CBAT TOCP上报页面。发现者：张宓、高兴；发现时间：2021年7月3日02:11:15；发现亮度：17.5星等。

穿越百年时空

7月4日，英国利物浦约翰摩尔斯大学的Matt Darnley和芬兰图尔库大学的Steven Wiliams两位天文学家，使用位于西班牙加纳利群岛的利物浦望远镜获取了该候选体的光谱，并于当天下午发表了ATel#14750（https://www.astronomerstelegram.org/?read=14750）。他们指出这是一个新星爆发，它的光谱与2012年爆发期间相似，可能是M31N1923-12c有记录的第三次爆发，暗示其相邻两次爆发的时间间隔短至9年，属于间隔10年之内的快速再发新星。

图8 ATel#14750原文：AT 2021rno：光谱证认与再发新星M31N 1923-12c疑似第三次爆发

AT 2021rno被通报为与M31中的已知再发新星M31N 1923-12c（亦被称为M31N 2012-01b，见ATel#3914，https://www.astronomerstelegram.org/?read=3914）位置一致的暂现事件。

图9 后随测光和天体测量确认PNV J00423807+4108423 （AT 2021rno）是M31N 1923-12c的重复爆发。

世界时2021年7月4.16日，利物浦望远镜暂现源快速采集光谱仪获取的光谱显示出强烈的巴尔末发射线，半峰全宽为5900±300km/s。该光谱也显示出HeI发射线的初步证据。这与2012年爆发的He/N型分类一致。Hα线和Hβ线的谱线轮廓高度不对称，可能表明它们仍然处于光学厚（optically thick）。该光谱证认AT 2021rno是一次新星爆发，并暗示M31N 1923-12c的再发周期短至9年。比银河系再发新星天蝎座U的爆发更为频繁，增加了M31中大量“快速再发新星”的数量（已知的19个M31再发新星中，有11个再发周期≤10年）。

图10 对比图像

Matt Darnley和Steven Wiliams的观测证实了该候选体的本质是新星爆发，但说到与M31N 1923-12c的关系时，则用了“可能”、“暗示”等并不确定的词。如果要确定这两者来自相同的前身星，那么还需要非常精确地比较两次爆发的图像，测定两者的位置是否重合。7月6日早，美国圣地亚哥州立大学的Allen W.Shafter和捷克昂德列约夫天文研究所的K.Hornoch、H.Kucakova发表了ATel#14755，报告他们在7月4日对该新星进行了多色测光，并将获取的图像与2012年爆发时的图像进行比较，发现两者位置基本一致，确认AT 2021rno确实是M31N 1923-12c的又一次爆发。他们将36帧独立的VRI波段CCD图像叠加，并与2012年爆发时（M31N 2012-01b）西山浩一的发现图像对齐，证实这两个新星在空间上的重合度在0.5角秒之内（参见图10，最新观测对图像中的星点是黑色的，而西山浩一图像中的星点是白色的）。

结语

AT 2021rno是半米望远镜加入公众超新星搜寻项目后首个获得证认的发现，由于它是2021年7月在M31中发现的第一颗新星，所以国际变星索引（International Variable Star Index，VSX）也将其编号为M31N 2021-07a。自2015年7月28日上线至今，公众超新星搜寻项目已累计发现36颗候选体，其中19颗超新星及8颗M31新星获得证认。欢迎加入公众超新星搜寻项目（项目网址：https://nadc.china-vo.org/psp/），找寻属于你的那颗星，或许下一个超新星/新星发现者就是你哦。

图11 埃德温·哈勃与哈勃空间望远镜。

250万光年外的一颗新星，穿越了时间和空间。从1923年，到2012年，再到2021年，串联起将近百年的时光；从威尔逊山，到日本，再到乌鲁木齐，跨越万里山山水水。哈勃和以他名字命名的空间望远镜一样，给我们带来了数不尽的宝贵科学财富，至今仍深深影响着天文学。埃德温·哈勃，向您致敬！