JWST探测到火焰般超新星残骸中中子星的证据

近 40 年后，天文学家终于得以近距离观察 SN 1987A 的壮观死亡。

作者：Laura Baisas

发布于 2024 年 2 月 23 日上午 9:13 EST

A combination of a Hubble Space Telescope image of SN 1987A and the compact argon source. The faint blue source in the center is the emission from the compact source detected with the James Webb Space Telescope. Outside this is the stellar debris, which contains most of the mass. The inner bright “string of pearls” is the gas from the outer layers of the star that was expelled about 20,000 years before the final explosion. The fast debris is now colliding with the ring, explaining the bright spots. Outside of the inner ring are two outer rings, presumably produced by the same process as forming the inner ring. The bright stars to the left and right of the inner ring are unrelated to the supernova. — 哈勃太空望远镜拍摄的 SN 1987A 照片与致密氩源的组合。中间微弱的蓝色光源是詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到的致密源发出的辐射。其外是恒星残骸，其中包含大部分质量。内部明亮的“珍珠项链”是恒星外层在最终爆炸前约 20,000 年被抛出的气体。快速喷射物现在正在与环碰撞，解释了亮点。内环之外是两个外环，据推测是由与形成内环相同的过程产生的。内环左右两侧的明亮恒星与超新星无关。哈勃太空望远镜 WFPC-3/詹姆斯·韦伯太空望远镜 NIRSpec/J. Larsson

使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的天文学家们可能赢了一场长达 37 年的神秘捉迷藏游戏，并在此过程中解开了一个恒星死亡的谜团。他们发现了迄今为止最好的证据，表明一颗中子星隐藏在一个宇宙中最著名的超新星之一的残骸中。

这次巨大的恒星爆炸产生了如此多的碎片，以至于需要数年时间和有史以来最强大的太空望远镜之一才能穿透其恒星死亡的残骸。这些发现详细记录在一篇于 2 月 22 日发表在《科学》杂志上的研究中，并推动了对这些壮观的天体死亡的研究。

该研究的合著者、伦敦大学学院天体物理学家迈克·巴洛（Mike Barlow）在一份声明中说：“关于是否有中子星隐藏在尘埃中的谜团已经持续了 30 多年，我们很高兴已经解开了它。”

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什么是超新星？

一个超新星是已知宇宙中一些质量最大的恒星的最后一次爆炸性死亡。它们发生在质量是我们太阳八到十倍的恒星中，因此可能需要数年时间才能将所有气体和能量压缩到自身内部。其最后的初始死亡打击可能在几个小时内结束，但爆炸的亮度通常会在几个月内达到峰值。重要的是，超新星为科学家提供了一种研究关键天文过程的实时方法。像这样的爆炸会将构成未来恒星和行星的铁、硅、碳和氧填充到太空中。它们甚至可以创造构成生命的分子。

在该研究中，研究小组观察了超新星 (SN) 1987A。这颗著名的超新星发生在距离地球 160,000 光年的大麦哲伦星系（Large Magellanic Cloud）的一个区域。它的光于 1987 年 2 月首次在地球上被观测到，并在当年 5 月达到亮度峰值。这是自 1604 年开普勒超新星以来，第一颗肉眼可见的超新星。

巴洛说：“超新星是构成生命要素的主要来源——所以我们希望正确地建立它们的模型。在 1987A 超新星中，没有其他像这颗中子星一样离我们这么近，而且形成得如此之近。由于周围的物质正在膨胀，随着时间的推移，我们将看到更多它的情况。”

An image taken with JWST’s Near-Infrared Camera image released in 2023 (left). Light from singly ionized argon (Argon II) captured by the Medium Resolution Spectrograph mode of the Mid-Infrared Instrument (top right). Light from multiply ionized argon captured by the Near-Infrared Spectrograph (bottom right). Both instruments show a strong signal from the center of the supernova remnant. This indicated to the science team that there is a source of high-energy radiation there, most likely a neutron star. — 2023 年发布的 JWST 近红外相机图像（左）。中分辨率光谱仪模式的红外中仪器（右上）捕获的单电离氩（氩 II）的光。近红外光谱仪（右下）捕获的多电离氩的光。两种仪器都显示超新星残骸中心有强烈的信号。这表明科学团队那里存在高能辐射源，很可能是一颗中子星。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Claes Fransson（斯德哥尔摩大学）、Mikako Matsuura（卡迪夫大学）、M. Barlow（UCL）、Patrick Kavanagh（梅努斯大学）、Josefin Larsson（KTH）。

SN 1987A 也被认为是一次核心坍缩超新星，其压缩的残骸可能形成中子星或黑洞。超新星产生的一些极其微小的亚原子粒子，称为中微子，表明可能形成了一颗中子星。然而，自 SN 1987A 被探测到以来的近 40 年里，尚不清楚这颗中子星是否持续存在或坍缩成了黑洞。这颗恒星一直被爆炸产生的尘埃所隐藏。

JWST 如何确认中子星

这项工作中的观测数据拍摄于 2022 年 7 月 16 日，就在太空望远镜投入使用后不久。研究小组使用了 JWST 的 MIRI 和 NIRSpec 仪器，这些仪器可以观测超新星的红外波长，以穿透尘埃。他们发现了重氩和硫原子在爆炸发生附近区域的证据，这些原子的外层电子已被剥离。这个过程称为电离。

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他们模拟了多种情景，发现这些原子可能被来自一颗正在冷却的热中子星的紫外线和 X 射线辐射电离。也可能是由于被快速旋转的中子星加速的相对论粒子风与超新星物质相互作用所致。

巴洛说：“詹姆斯·韦伯望远镜的 MIRI 和 NIRSpec 光谱仪从包围超新星 1987A 的星云最中心检测到了强烈的电离氩和硫发射线，这是存在中心电离辐射源的直接证据。我们的数据只能通过中子星作为该电离辐射源来拟合。”

这些发现与关于中子星如何形成的几种理论相符。模型表明，硫和氩在垂死恒星内部产生量很大，就在它变成超新星之前。研究 SN 1987A 和其他超新星的科学家预测，超新星残骸中的紫外线和 X 射线辐射将表明存在一颗新生的中子星。现在，使用紫外线和 X 射线辐射帮助我们找到了它。

瑞典皇家技术学院天体物理学家、该研究的合著者约瑟芬·拉尔森（Josefin Larsson）在一份声明中说：“这颗超新星不断给我们带来惊喜。没有人预测到会通过氩的超强发射线探测到这个致密天体，所以我们通过 JWST 发现了它，这有点滑稽。”

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