通过欧洲南方天文台甚大望远镜（ESO’s VLT）的快速后随观测，天文学家捕捉到了一颗恒星的爆炸性死亡过程 —— 即第一缕光突破濒死恒星表面的瞬间。这是人类首次揭示大质量恒星爆炸极早期转瞬即逝的形态。这一短暂的初始阶段在一天后便无法观测，却能帮助人们解答一系列有关大质量恒星演化和超新星爆发的问题。

当地时间 2024 年 4 月 10 日晚，超新星SN 2024ggi 首次被探测到时，清华大学助理教授、这项新研究的主要作者杨轶刚结束长途飞行降落在旧金山。他意识到必须迅速行动。12 小时后，他向欧洲南方天文台（ESO）提交了观测申请。经过快速审批，位于智利的甚大望远镜（VLT）于 4 月 11 日对准这颗超新星，距离首次探测到超新星爆发仅过了 26 小时。

一颗恒星发生超新星爆发的过程。（欧洲南方天文台制作）

编号为 SN 2024ggi 的超新星位于距离地球约 2200 万光年的 NGC 3621 星系中。天文学家借助欧洲南方天文台（ESO）8.2米口径的甚大望远镜（VLT），成功捕捉到这颗超新星爆发的极早期阶段 —— 爆炸的第一缕光正冲破濒死恒星的表面。这一短暂的时间窗口，让科研人员得以揭示其真实形态：一个类似橄榄状的辐射区。这是人类首次观测到超新星爆发“婴儿期”的形态。

SN 2024ggi 位于长蛇座方向的 NGC 3621 星系中，距离地球 “仅” 2200 万光年 —— 以天文学标准来看属于邻近范围。杨轶所在的国际研究团队深知，借助大型望远镜和适配的仪器，他们获得了一个罕见的机会，可以在恒星爆炸尚处于‘婴儿期’的时候，揭开其形态之谜。“甚大望远镜（VLT）的首次观测捕捉到了这一短暂而关键的时间窗口：恒星内部被爆炸激波加速的物质冲破其表面。在短短数小时内，爆炸的几何结构尚未被剧烈的爆发过程冲刷干净，得以被短暂保留和观测到，” 德国欧洲南方天文台（ESO）天文学家、该研究合作者迪特里希・巴德（Dietrich Baade）表示。

超新星 SN 2024ggi 和其寄主星系NGC3621。图片由欧洲南方天文台（ESO）甚大望远镜（VLT）上的 FORS2 仪器拍摄于 2024 年 4 月 11 日，距离该超新星首次被探测仅过去 26 小时。FORS2 具备多项功能，其中包括获取偏振光光谱。通过名为光谱偏振测量法的技术，即便在地球观测仅呈现一个点源，科学家们仍能从中提供关于其爆发形态的关键信息。

“超新星爆发的几何形态，可以为这些‘宇宙焰火’绽放的过程，以及它们前身星的演化轨迹提供关键的线索。” 杨轶解释道。大质量恒星（质量超过太阳 8 倍的恒星）死亡的爆发机制仍有很多争议，也是科学家们希望解决的核心问题之一。这颗超新星的前身星是一颗红超巨星，质量为太阳的 12 至 15 倍，半径则是太阳的 500 倍，使得 SN 2024ggi 成为大质量恒星爆发的典型案例。

我们知道，一颗典型恒星在其生命周期中之所以能保持球形，是因为两种力量达成了精准的平衡 —— 试图挤压它的引力，以及试图让它膨胀的核反应产生的辐射压力。当恒星耗尽了最后的燃料时，核反应引擎便会开始熄火。对于垂死的大质量恒星而言，其核心会发生坍缩，周围的物质壳层向中心坠落并反弹。随后，这一反弹冲击波向外传播，最终导致恒星解体，产生超新星爆发。当冲击波冲破恒星表面时，我们能研究超新星最初的 “激波突破” 形态。这个过程会释放出巨大的能量 —— 超新星急剧增亮，可以在遥远的地方被看到。

重建超新星爆发的几何演化用到了 “光谱偏振” 这项技术。“由于距离太远，任何恒星尺度的爆炸看上去都是一个严格的点。只有光谱偏振法能提供它们的几何信息^[1]” 该研究合作者、美国得克萨斯农工大学（Texas A&M University）教授王力帆（Lifan Wang）表示。超新星2024ggi的偏振光蕴含着其几何形态的线索，并被研究团队成功解密。

南半球唯一能通过此类测量捕捉超新星形态的设备是安装在甚大望远镜（VLT）上的 FORS2 仪器。借助 FORS2 获取的数据，天文学家发现，爆炸早期的辐射区类似一个橄榄。随着抛射物膨胀，与恒星周围的物质碰撞，其形态逐渐趋于扁平，但抛射物的对称轴始终保持不变。杨轶（Yi Yang）指出，“这些发现表明，大质量恒星爆发的整个阶段都由一种共同的物理机制驱动，且表现出空间尺度上显著的轴对称性。”

这一发现使天文学家已能可以排除一些超新星模型，并完善其他模型，为理解大质量恒星的死亡提供了重要线索。“这项研究不仅重塑了我们对恒星爆发的认知，也彰显了科学跨越国界所能取得的成就，” 该研究合作者、欧洲南方天文台（ESO）天文学家费迪南多・帕塔特（Ferdinando Patat）表示，“它有力地证明，好奇心、合作精神与迅速行动，能够揭开塑造我们宇宙的物理学深层奥秘。”

研究成果以“An axisymmetric shock breakout indicated by prompt polarized emission from the type II supernova 2024ggi”为题发表于《科学进展》（Science Advances），同时在欧洲南方天文台等多家研究机构进行同步新闻发布。

清华大学物理系助理教授杨轶为论文第一作者和通讯作者，Texas A&M大学王力帆教授，清华大学物理系王晓锋教授为共同通讯作者。研究得到清华大学笃实专项的资助。其他重要合作者包括前北京师范大学博士生，现清华大学物理系博士后文旭东，欧洲南方天文台荣誉退休天文学家Dietrich Baade，以及得克萨斯大学奥斯汀分校J. Craig Wheeler教授。

[1] 光粒子（光子）具有一种名为 “偏振” 的特性。大多数恒星呈球形，在球体中，单个光子的偏振会相互抵消，因此该天体的净偏振值为零。当天文学家观测到非零的净偏振时，便能利用这一测量结果推断出天体（恒星或超新星）的几何形态。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx2925