困扰天文界三十多年的超新星之谜,终于被揭开了!
来源:星空计划
发布时间:2024-05-22
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1987年,人们有幸得以目睹一场真正的宇宙奇观:在距离我们大约16万光年之外的大麦哲伦星云中,一颗恒星爆炸,产生了肉眼可见的超新星。这个超新星被命名为SN 1987A。一直以来,天文学家都知道,在SN 1987A的最核心,是由恒星坍缩形成的致密天体;但他们无法确定的是,这个致密天体究竟是什么。

大麦哲伦星云中的恒星在1987年2月23日爆炸前(右)和爆炸后(左)。图:DavidMalin Anglo Australian Telescope

2024年2月22日,在《科学》杂志上发表的一篇研究终于为我们揭开了这个困扰天文学家30多年的谜题。那么,答案究竟是什么呢?让我们从超新星开始说起。

在我们的可观测宇宙中,至少有上千亿甚至上万亿个星系,其中包含的恒星数量更是大得惊人,所以几乎总有一颗恒星在宇宙的某个地方爆炸了。在漫长的宇宙演化史中,超新星爆发是非常重要的,因为它不仅会将生命所必需的元素散播到宇宙中去,同时也会产生超铁元素。

目前,天文学家已经确认了几种超新星类型。例如,在一个由白矮星和普通恒星构成的双星系统中,白矮星的引力会吸引伴星的物质,当白矮星的质量增加到太阳质量的1.4倍时,就会爆炸形成所谓的Ia型超新星。正是通过测量la型超新星的距离,天文学家发现了宇宙正在加速膨胀。

而SN 1987A则属于“核心坍缩”超新星。在恒星一生中的大部分时间里,其核心的核聚变反应产生的向外压力会与向内的引力相抗衡,使恒星保持平衡。然而,一旦恒星的燃料耗尽,核聚变反应停止,这种平衡就会被打破。这时,引力会占据上风,恒星的核心就会在引力作用下向内坍缩。如果恒星的初始质量足够大时,那么它就会爆炸形成超新星,其核心要么坍缩形成中子星,要么变成黑洞。

也就是说,在SN 1987A的中心留下的致密天体要么是中子星,要么是黑洞。理论学家预测,那里应该是一颗中子星,他们的部分依据是因为在接收到爆炸产生的可见光之前,地球上的仪器检测到了10秒长的中微子爆发;而如果坍缩成黑洞,则会产生持续时间更短的粒子爆发。

但一直以来,天文学家都无法找到确凿的证据证明那就是一颗中子星。这其中的一个重要原因是,在恒星爆炸后会形成大量的尘埃,这些厚厚的尘埃会阻挡来自中心的大部分可见光。而只有像韦布空间望远镜这样的红外望远镜,才有可能帮助我们揭开隐藏在尘埃背后的秘密。这是因为红外光的波长更长,更容易穿过尘埃。

2022年7月16日,研究人员使用韦布空间望远镜上的两种仪器,MIRI和NIRSpec,在红外波长下对SN 1987A进行了观测。最终,在这颗超新星遗迹的中心,他们发现了存在氩和硫原子的证据。氩和硫都是由大质量恒星深处的硅和氧的核聚变产生的。研究人员发现氩和硫原子都被电离了,也就说它们的外层电子从原子上被剥离了。为了创造这些电离原子,就需要高能光子,而这些光子必须来自某个地方。

这张图结合了哈勃太空望远镜和韦布空间望远镜的NIRSpec仪器的数据。中心的微弱蓝色光源是由NIRSpec仪器探测到的高度电离的氩。图:HST,JWST/NIRSpec, J. Larsson

在论文中,研究人员讨论了可能电离氩和硫的种种可能性后,最终发现有两种方式被认为是最有可能的。一种是,SN 1987A遗迹的中心可能是一颗脉冲星,也就是快速旋转的中子星。脉冲星会像灯塔一样从两极喷出辐射束和带电粒子,其强大的磁场会将带电粒子加速到接近光的速度并向外发射,从而可能与周围的超新星物质相互作用,导致电离的发生。另一种是,炽热的中子星表面会发出明亮的紫外线和X射线,足以电离附近的氩和硫原子。

目前,研究人员还无法确认这两个可能性哪个是对的,但无论是哪种情况,韦布空间望远镜的新观测都为证明SN 1987A的中心是一颗中子星提供了令人信服的证据。

未来,研究人员计划使用韦布空间望远镜和其他地面望远镜进行更多的观测。他们希望能够更清楚地了解在SN 1987A遗迹的中心究竟发生了什么。这些观测将有助于促进天文学家发展出更详尽的模型,最终使我们能够更好地了解SN

1987A,以及所有的核坍缩超新星。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称:李兆滢

审核:韩文标

出品:中国科协科普部


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