“超新星发现机器”詹姆斯·韦伯太空望远镜发现有记录以来最遥远的恒星爆炸

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JADES深场利用美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的观测结果显示了新发现的超新星爆炸的位置（图片来源：美国国家航空局、欧空局、CSA、STScI、JADES Collaboration）

据美国太空网（Robert Lea）：当谈到寻找早期宇宙中大质量恒星的爆炸性死亡时，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是一个相当出色的宇宙侦探。这位天体级的福尔摩斯在一臂之遥的米粒般宽的天空中发现了80颗新的早期超新星的证据。

这不仅是早期宇宙史上发现的超新星的10倍，而且样本中还包括有史以来最早和最远的超新星。它是在138亿年前的宇宙只有18亿年的时候爆炸的。

JWST高级深星系外巡天（JADES）项目的数据帮助一组科学家发现了这一前所未有的超新星，其中还包括天文学家称之为“标准蜡烛”的Ia型爆炸，可以用来测量宇宙距离。

在JWST于2022年夏天开始运行之前，只有少数超新星被发现，可以追溯到宇宙只有33亿年的时候，相当于目前年龄的25%左右。然而，JADES的样本中包含了许多超新星，这些超新星在过去爆炸得更远。事实上，有些在宇宙不到20亿年的时候就爆发了。

“JWST是一台超新星发现机器，”团队成员克里斯塔·德库西在一份声明中说，她是斯图尔特天文台和图森亚利桑那大学的三年级研究生。“探测的绝对数量加上与这些超新星的遥远距离是我们调查中最令人兴奋的两个结果。”

JWST无与伦比的红外灵敏度意味着它几乎在宇宙中的任何地方都能发现超新星。

超新星侦探

当光波长穿过宇宙时，空间结构的膨胀会延伸出这些波长。这导致光在电磁光谱中进一步向下移动，从较蓝的一端向较红的一端缓慢移动。这种现象被称为“红移”

光在太空中传播的时间越长，它所经历的红移程度就越极端。因此，来自120亿光年外天体的光，如这些超新星，经历了极端的波长延长，或“宇宙学红移”

这将超新星的光向下转移到电磁光谱的红外区域，JWST擅长在这个区域观察宇宙。



显示波长与各种类型光之间关系的电磁光谱。红移可以看到光从可见光谱和上方向下移动到红外区域。（图片来源：美国国家航空航天局的《想象宇宙》）

哈勃太空望远镜此前曾允许天文学家观察到宇宙处于“年轻人”阶段时存在的遥远超新星。然而，通过JADES和JWST，天文学家可以在宇宙处于“十几岁”甚至“十几岁前”时观测到超新星

未来，科学家们希望回顾宇宙的“蹒跚学步”阶段，甚至是宇宙的婴儿期，理想情况下是偶然发现第一代大质量恒星的死亡。

为了获得这一新的超新星观测序列，JADES团队以一年的间隔拍摄了同一片天空的多张图像。然后，他们对图像进行了比较。因为超新星是“瞬变”的，意味着它们会随着时间的推移而变亮和褪色，观察图像的变化可以让科学家区分哪些光点确实是恒星爆炸，哪些可能是其他现象。

位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）的美国国家航空航天局爱因斯坦研究员贾斯汀·皮雷尔在声明中说：“这真的是我们第一个了解高红移宇宙在瞬态科学中的样子的样本。”。“我们正在努力确定遥远的超新星是否与我们在附近宇宙中看到的有根本不同或非常相似。”



一幅插图显示，一颗白矮星以伴星为食，开始在Ia型超新星中爆发（图片来源：Robert Lea（与Canva共同创作））

JADES团队看到的并非所有超新星都是“核心坍塌”超新星，这是由大质量恒星耗尽核心核聚变所需的燃料供应，在自身重力作用下坍塌，产生黑洞或中子星而引发的。

如前所述，其中一些是Ia型超新星，是由被称为“白矮星”的恒星尸体以从伴星或供体星上剥离的物质为食而引发的。这些物质堆积在白矮星的表面，直到它引发失控的热核爆炸，彻底摧毁白矮星。

这些事件的光输出是均匀的，具有相同的内在亮度，似乎与距离无关。这意味着它们可以用作测量距离的宇宙标尺，也可以用作测量空间结构膨胀速度的标记。然而，如果Ia型超新星的内在亮度在高红移时发生变化，它们在测量大宇宙距离方面的效用将受到限制。

该团队对大约110亿年前爆发的Ia型火山的观测表明，尽管其光线发生了宇宙学红移，但其亮度没有变化。

“青少年时代”的宇宙与我们今天看到的大不相同，有着更加极端的环境。此外，由于当时宇宙主要是氢和氦，天文学家预计会看到由恒星死亡引发的古代超新星，这些恒星所含的重化学元素或“金属”比当前一代的“富含金属”恒星（如太阳）少得多。

因此，将这些古老的超新星与在本地宇宙中爆炸的大质量恒星进行比较，可以帮助科学家更好地了解恒星在形成过程中是如何被早期恒星锻造的金属富集的，并在它们死亡时在宇宙中传播。

JADES超新星光谱分析的负责人Matthew Siebert说：“我们本质上是在打开一扇关于瞬态宇宙的新窗口。”。“从历史上看，每当我们这样做时，我们都会发现非常令人兴奋的事情——那些我们没有想到的事情。”

该团队的发现于周一（6月10日）在威斯康星州麦迪逊举行的美国天文学会第244次会议的新闻发布会上发表。