大质量恒星在演化末期一般会形成核塌缩超新星爆发。而超大质量恒星（初始质量接近100倍太阳质量）如何演化？最终结局是什么？他们与宇宙中最亮的超新星——超亮超新星之间存在什么关系？这些都是天体物理中的重要疑难问题。对这些问题的深入理解是完善恒星演化理论以及超新星爆炸物理的重要基础。

王晓锋教授团队与国内外多个科研团队合作，对一颗近邻I型超亮超新星SN 2017egm进行了长期观测，揭示了其极其复杂的光度演化（图1）。通过构建模型和数据拟合，他们发现这颗超新星非同寻常的辐射演化源于爆炸抛射物与四层星周物质壳的相互作用。这些星周物质壳层的存在揭示了前身星在塌缩爆炸前夕经历过频繁的物质抛射，例如平均每年物质损失率高达1～10倍太阳质量。如此剧烈的物质抛射难以用经典的大质量恒星星风和双星相互作用理论解释，但与理论上提出的脉动式对不稳定机制（PPI）所驱动的物质丢失高度吻合。结合恒星PPI理论模型和能源模型分析，研究团队发现：SN 2017egm前身星发生对不稳定前的氦核质量达到约50倍太阳质量，在脉冲式物质抛射阶段损失总计7-8倍太阳质量，爆炸阶段抛射了2-3倍太阳质量的物质，而中心则产生了一个重约40倍太阳质量的黑洞。此项研究表明，超大质量恒星的氦核通过脉动式对不稳定+核塌缩机制也可以形成几十倍太阳质量的黑洞，而不仅局限于小黑洞的并合。根据单星演化理论，如此重的氦核通常来自于低金属丰度的超大质量恒星。因此，对于一个位于高金属丰度环境的超亮超新星SN 2017egm而言，其前身星有以下三种可能：（1）在高金属环境中爆炸的低金属丰度恒星；（2）早期星风损失远低于理论估计的高金属丰度恒星；（3）来自于两个大质量恒星的并合。该源的观测和研究对于理解超亮超新星的能量来源、超大质量恒星演化理论以及大质量恒星级黑洞的形成均具有重要意义。

图1. 左图为超新星复杂星周环境的艺术效果图，黄线和粉线分别是超亮超新星SN 2017egm和普通超新星SN 1998bw的热光度曲线（北京天文馆喻京川绘制）。右图是SN 2017egm光度演化曲线与黑洞吸积模型（FB）、磁星模型（MAG）、抛射物与单层介质相互作用+放射性元素模型（CSIRD）和抛射物与多层介质相互作用+放射性元素模型（MCSIRD）拟合结果的比较。

该研究成果以“一颗源于超大质量恒星脉动对不稳定机制演化形成的超亮超新星爆发（A Superluminous Supernova Lightened by Collisions with Pulsational Pair-instability Shells）”为题于2023年5月1日在线发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上。王晓锋教授为本文的通讯作者，清华大学博士后林巍莉为本文的第一作者，论文主要合作者还包括美国加州理工学院的严琳研究员、以色列魏茨曼科学研究所的Gal-Yam教授以及美国加州大学伯克利分校的Filippenko教授研究团队等研究人员。本项目得到国家自然科学基金基础科学中心项目、自然科学基金重点项目、北科院北科学者项目以及科学探索奖等的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41550-023-01957-3