发现超新星的竞赛

八年来，每逢晴朗的夜晚，美国缅因州汉普顿（Hampden）地区的Doug Rich都会出外观测约40个星系，以求发现自己的第一颗超新星。一个星系接一个星系，他将望远镜中所见景象与参照图像进行比对，每次都满怀期盼，渴望看到一个遥远恒星爆炸的新光斑。

但是，八年过去了，他一无所获。最后，他意识到，如果真的想要发现一颗超新星，那么就必须升级自己的设备。他添置了CCD相机，建造了一座小天文台，其中有一架计算机控制的10英寸（25.4厘米）望远镜。他还编写了程序，操控这套系统每晚拍摄大约80个星系的图像。当望远镜工作时，他必须坐在操作室里，每拍摄一张图像，他都要立即审视，靠肉眼将它们与以前的星系图像做比较，检查其中是否出现了一颗新的恒星。

三年时光再度飞逝，他历经反复尝试，却依然没有斩获超新星。有时候，闯入视野的是一颗小行星。有时候，一道宇宙射线会在他的照片中留下虚假信号。唯一不曾被见到的恰恰是一颗未知的超新星。

终于，在2003年1月的一个寒冷冬夜里，在一张新图像上出现了参照图像中所没有的新天体。图像上的星系远在2亿光年之外，这次，它的外边缘上出现了一颗新的恒星。这正是一颗新的超新星，而Rich是发现它的第一人！回忆起那一时刻，他感慨道：“这就像把我送上一架飞机，让我飞上天堂。”

竞赛开始

在望远镜发明后的很长时期中，许多超新星都是被热忱的业余爱好者发现的，他们在目镜前投入了无数时光，一遍遍巡视着不同星系，以寻找其中的微小变化。在过去，由于专业天文学家所用的大型望远镜一般视场较小，所以他们一般专注于研究某些特定天体，而超新星是随机出现在夜空中的某个星系中的，因此专业天文学家很少赢得发现者的殊荣。

业余爱好者则不然，他们瞭望着天空中的每个角落，手中所持的双目望远镜或者小型望远镜可以在一夜间扫视大批星系。倘若结成大规模业余社团，他们的视野就可以轻而易举地覆盖整个天空。因此在过去的岁月中，当一颗超新星出现时，业余爱好者往往独占发现者的美誉。不过在上世纪50至60年代出现了一个例外情况，当时加州理工学院的天文学家Fritz Zwicky带领一支团队，检查了加州帕洛玛天文台的48英寸（约合122厘米）施密特望远镜的大量摄影底片，从中寻获了约100颗超新星。

可是在过去15年中，情况彻底改变了。20世纪90年代末，计算机控制、全自动、可远程操纵的望远镜出现了，专业天文学家利用这种新型设备搜索超新星，开始涉足这一业余爱好者的传统领域。专业巡天的资金充裕、设备精良，拥有先进的软件，这些都是业余爱好者所不具备的优势，因此专业巡天所寻获的超新星数量开始迅猛增长，很快就令过去任何一位业余爱好者的成就相形见绌。业余爱好者不仅仅失去了在寻找超新星上的传统优势，而且似乎很快就将被排挤出这一领域。专业天文学家好像能够包揽这一工作，而且完成得更好。

但事情也并非尽然如此。尽管专业天文学家占据了优势，但业余爱好者在该领域中仍有一席之地。如果工作方式正确，业余爱好者甚至有可能在这场竞赛中击败专业一方。David Bishop是“最新超新星网”（Latest Supernovae）的维护人，他评论道：“星系的数量如恒河沙数，即便最强大的专业巡天也不可能将其全部覆盖。”

自动化巡天的挑战

最初，业余爱好者仅仅靠肉眼来搜索超新星。超新星目视搜索之王是Robert Evans，他来自澳大利亚的Hazelbrook地区。自上世纪80年代初开始，Evans在每个晴朗的夜晚都会携带一架10英寸（25.4厘米）望远镜出外观测，他手动扫视各个可见星系，从中搜寻新的天体。他每小时平均观测50至100个星系，具体速度随星系相互间在天空中的聚集程度而定。由于每晚反复观测同样的星系，他很快就记住了各星系的外观，假如其中出现了新天体，就会被他立即发现。

到1985年，Evans已经发现了11颗超新星，其中一部分帮助发现了Ib型超新星的一个新分支。接着，他将望远镜升级到16英寸（约40.6厘米）。随后的岁月中，他的发现数量继续攀升，截至2005年，达到了40颗。

今天已经很少有人沿用Evans的目视法了。自从CCD摄影法发明以来，大多数业余超新星猎手已经转而采用Doug Rich的技术路径：拍摄星系快照，将其与参照图像相比较。例如，亚利桑那州本森市的Wayne Johnson在业余爱好者中享有盛誉，被昵称为“星系先生”。与Evans一样，他的最初两颗超新星都是以目视法发现的，但是此后他改用CCD摄影法，又找到了四颗（其中两颗都是在1996年5月15日至16日的那一夜发现的）。他解释道：“我并非在做什么特别的事情。拍摄图像，将它与参照图像进行闪视比较，你马上就能看出图像上是不是出现了什么新东西。”

最近几年，在计算机软件的帮助下，业余爱好者可以远程操纵望远镜，或者令其自动运行，因而超新星搜索策略有了长足的进步。业余爱好者们不再熬夜整晚拍摄星系图像，而是通过对望远镜编程，让它们自动工作。例如Michael Schwartz，他的望远镜位于亚利桑那州Nogales地区的Tenagra天文台，他指令这台望远镜每晚拍摄50至100个目标星系，次日上午，他再用肉眼审阅图像，检查其中是否出现了新天体。他解释道：“自动操纵技术的使用是打开发现之门的关键。”他还补充道，结果就是“我已经找到了如此多的超新星，以至于发现的乐趣已经消磨殆尽。”

迄今为止，最成功的业余超新星巡天项目是由Tim Puckett所领导的，他来自佐治亚州的Ellijay地区。与Schwartz一样，Puckett也是通过为望远镜编程，使其每晚根据一张预定的目标星系清单自动进行远程拍摄。但是Puckett获得了其他业余爱好者的帮助，将自己的搜寻工作变成了一个合作项目。这个团队的规模已经增长到了20余人，他们对图像进行后期处理和分析，而拍摄这些图像的望远镜散布在佐治亚、亚利桑那和不列颠哥伦比亚。Puckett的团队组织了一批业余爱好者来剔除虚假信号——例如宇宙射线、小行星和图像瑕疵，然后在剩余图像中寻找疑似的超新星候选体，通过这种方式，这支团队有效地应对了超新星搜寻中最耗费时日的那部分任务。截至今年6月末，“Puckett世界超新星搜索”项目已经发现了280颗超新星，它还在招募更多的操纵14英寸（35.56厘米）及以上口径望远镜的志愿者。

专业天文学家的崛起

随着一系列专业巡天望远镜项目的出现，超新星搜索在过去15年里发生了彻底变革。

其中第一个项目是“利克天文台超新星搜索”（LOSS），它使用30英寸（76.2厘米）的Katzman自动成像望远镜（KAIT）。这台设备于1997年开始运行，它是全自动的，计算机程序可以自动检查气象状况，打开圆顶，按照预定列表每晚控制KAIT瞄准约1000个目标星系。NASA戈达德航天中心的Brad Cenko说：“KAIT的设计目标就是尽可能迅速地、尽可能多地辨认出超新星。”

在最初三年里，KAIT每年发现20至40颗超新星。2001年之后，这一数字开始增长，接下来十年中，KAIT发现了近800颗超新星。2007年，在南半球有一个类似项目开始运行，那就是“智利自动超新星搜索”（CHASE）。

这些巡天项目每晚拍摄的目标星系比任何一个业余爱好者多5至10倍。它们还拥有充裕的资金支持；在从大量图像中搜寻潜在超新星时，它们只需付出低廉的报酬就可以召集很多大学生来承担这项工作。这些巡天项目已经以任何业余爱好者都无法企及的速度做出了大量发现。然而，当本世纪的第一个十年即将结束时，“帕洛玛暂现源工厂”（PTF）击败了上述这些巡天项目，PTF的装备是帕洛玛天文台的48英寸（约122厘米）施密特望远镜，以及位于夏威夷的1.8米“全景巡天望远镜和快速反应系统1”（Pan-STARRS1）。与KAIT不同，PTF和Pan-STARRS1并不是按照一张特定星系的目标列表来进行搜索。它们的工作方式更加高效：每晚使用大视场望远镜拍摄一片片巨大的天区，然后用计算机自动分析。

这些技术上的惊人进步所导致的结果就是，专业天文学家取代了业余爱好者，成为收获最多的赢家。在1999年，业余爱好者发现了所有新发现超新星的约78%。而到了2012年，这一比例猛跌至15%。Rich说：“很多业余爱好者都感到气馁。总的感觉是，我们已经看到了未来的缩影——到那时，我们或许再也不能首先发现新的超新星了，至少机会渺茫。”

激烈的竞赛

尽管面临着来自专业天文学家的高技术挑战，但是业余爱好者们发现，在现代超新星搜索的竞赛中，他们依然可以有所作为。例如，虽然过去十年中业余爱好者所发现的超新星在总发现数中的比例大幅度下降，但他们的实际发现数量并没有如此剧烈的变化。自1997年以来，在业余爱好者发现的超新星数量上，没有明显的升降变化趋势。在此期间，爱好者的发现总数在114颗至274颗之间，每年的平均发现数稳定在167颗上下。例如，从2007年至2012年的这几年中，专业天文学家在该领域的优势地位得到了加强，而同期业余爱好者每年发现的超新星分别为114颗、144颗、198颗、151颗、162颗和159颗，与1999年的166颗相比，并无显著差异。

实质性的变化在于，专业天文学家们发现了一条路径，可以从更暗弱、更遥远的星系中找到更多超新星。1999年，共发现了216颗超新星，而到了2012年，超新星的总发现数猛涨到1000颗以上，这种增长完全来自于新的专业巡天项目。

显然，业余爱好者在超新星搜索领域仍然占有一席之地，但为了保住这一席位，他们必须遵循几项基本准则。如果你也希望进入这一领域，这里有一些简单的经验之谈：

首先，要了解你的装备可以做什么。例如，你瞄准的目标星系不可以距离太远，以至于其中出现的超新星对于你的望远镜来说过于暗弱而无法看见。Schwartz说：“要注意，根据你的硬件条件，哪些选择是可行的。”

其次，对于那些合适的星系，要拍摄尽可能多的图像。对此，Rich形象地说：“拍得越多，发现得越多。”例如，2012年Rich发现了7颗超新星，但是他为此拍摄的星系多达10000个以上。

第三，要像Tim Puckett那样，组织一个团队。这或许也是最重要的一点。由计算机控制的当代望远镜能够拍摄到大量图像，但是要想从中方便地找出新天体，所需的软件是业余爱好者所无法利用的，因为它们既昂贵，使用起来也很复杂。故而业余爱好者仍然需要用肉眼检查每张图像，将它们一一与参照图像进行比较。这一处理工作颇费时日。如果将热情的志愿者组织成团队，业余爱好者就仍然能取得毫不逊色于专业天文学家的成绩，例如Puckett。

Doug Rich就追随了Puckett的成功足迹，他的努力迅速得到了丰厚回报。Rich的工作始于Eagle Hill研究所，这家机构位于缅因州的Steuben地区，在阿卡迪亚国家公园附近。Eagle Hill研究所以前致力于地球科学，但是它的职员们后来决定在天文学方面再开创一番事业。2012年12月，他们邀请Rich就其超新星工作做一次讲演。Rich说：“我获得了一个灵感。我一直都是在独立工作，并且取得了相当大的成功。为什么不像Puckett那样组建一支团队呢？为什么不让其他人来分享发现时的满足与喜悦呢？”

讲演过后，Rich招募了几名志愿者，包括一些业余天好者。经过几次聚会，并为每位成员的电脑安装上必需的软件后，他的系统按计划投入运行了。当遇到晴夜时——按Rich的说法，“在缅因州，晴朗的夜空可是很难遇到的”——他会拍摄150幅至300幅星系图像，将图像上传到一个网址，再由志愿者们下载并与软件中的参照图像进行比较。

2013年4月7日，这个团队收获了他们的第一颗超新星。仅仅三个星期后，另一颗超新星也被他们发现。Rich说：“这对于团队成员们来说，真是太振奋人心了。我们在这样短的时间内就发现了两颗超新星，这一事实或许意味着我应该着手联络比目前更多的志愿者了。”

业余爱好者仍有可能发现更多的超新星。尽管PanSTARRS1那样的专业巡天望远镜可以观测绝大部分可见天区，并且有着很高的清晰度，可以看出其视场中的几乎每一颗超新星，但是，通常每星期它只能扫描全天一次。

因此，专业巡天或许会看到每一颗超新星，但很有可能已经错过超新星爆发的最初时刻。所以，一位持之以恒的业余观测者依然有机会首先发现一颗超新星，并向科学家们提供关于恒星爆炸事件初期阶段的宝贵信息。Cenko说：“全球的专业天文台数量并不是足够地多，它们做不到像我们这样频繁地覆盖所有近距星系。”

或者如Doug Rich所述：“夜空中有那么多星系，专业天文学家根本不可能每个不落地时刻关注它们。”