詹姆斯·韦伯太空望远镜发现隐藏在超新星残骸中的中子星

黄俊琼

美国国家航空航天局/欧空局/加空局詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到了迄今为止最好的证据，证明在一颗最近观测到的著名超新星的位置上有中子星发射。这颗超新星被称为SN 1987A，发生在距离地球16万光年的大麦哲伦星云中。（图片来源:美国国家航空航天局、欧空局、加空局和C. Fransson（斯德哥尔摩大学）、M. Matsuura（卡迪夫大学）、M. J. Barlow（伦敦大学学院）、P. J .卡瓦纳格（梅努斯大学）、J. Larsson（皇家理工学院））

（）据美国太空网（罗伯特·李）：天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在一次恒星爆炸的残骸中发现了一颗中子星，从而结束了长达近十年的天体捉迷藏游戏。

超新星1987A代表了一颗爆炸恒星的残骸，这颗恒星的质量曾经是太阳的8到10倍。它位于银河系的一个矮星系邻居大麦哲伦星云中，距离我们大约17万光年。37年前的1987年，天文学家首次发现了超新星1987A，因此得名于它的数字特征。超新星1987A爆炸时，它首先向地球喷射了一种名为中微子的幽灵粒子，然后在强光下变得可见。这使它成为近400年来地球上夜空中最近、最亮的超新星。

像这样的超新星爆发是导致宇宙中出现碳、氧、硅和铁等元素的原因。这些元素最终成为下一代恒星和行星的基石，甚至可以形成分子，有朝一日可能成为我们所知的生命不可或缺的一部分。这些爆炸也产生了中子星或黑洞形式的致密恒星残余；37年来，天文学家一直不知道哪一个可能潜藏在超新星1987A的中心。

“很长一段时间以来，我们一直在超新星1987A的气体和尘埃中寻找中子星的证据，”物理学和天文学名誉教授、此次发现背后的团队成员迈克·巴洛告诉Space.com。“最终，我们找到了一直在寻找的证据。“

中子星是如何隐藏40年的？

当大质量恒星耗尽其核心发生核聚变所需的燃料供应时，中子星就会诞生。这切断了这些恒星内核向外流动的能量，从而防止它们在自身重力作用下坍塌。

当恒星核心坍塌时，巨大的超新星爆炸撕裂恒星外层，将它们炸飞。这留下了一颗与地球上普通城市一样宽的“死亡”恒星，但质量约为太阳的一到两倍；这颗恒星最终由中子粒子流体组成，这是宇宙中已知密度最大的物质。

然而，中子星内部中子之间发生的量子效应支撑着中子星免于完全坍缩。这些效应防止中子聚集在一起。如果恒星内核有足够的质量，或者中子星在产生后积累了更多的质量，这种所谓的“中子简并压力”就可以克服。这将导致黑洞的诞生（如果没有达到最小质量，这不会发生。)

科学家们已经相当确定超新星1987A中的物体是一颗中子星，但他们不能排除这种新死亡的恒星的可能性，至少在大约17万年前，我们看到的这颗恒星还没有聚集足够的质量将其自身转化为黑洞。

“另一种可能性是坠入的物质可能被吸积到中子星上，并导致它坍缩成黑洞。因此，黑洞是一种可能的替代方案，”巴洛说。“然而，填充材料产生的光谱并不是解释我们所看到的发射的正确光谱类型。”



哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜看到的超新星1987A。（图片来源:哈勃太空望远镜WFPC 3号/詹姆斯·韦伯太空望远镜尼尔斯佩克/J .拉尔森）

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这颗新发现的中子星已经被探测了37年，因为作为一颗新生恒星，它仍然被超新星爆发时发射的厚厚的气体和尘埃所包围，超新星爆发标志着其前身恒星的垂死挣扎。

巴洛说:“超新星在爆炸后的几年里凝聚了大约半个太阳质量的尘埃，这一事实阻碍了探测工作。”“这些尘埃充当了超新星1987A中心发出的遮蔽屏幕的电波。“

灰尘阻挡红外光的效果远不如阻挡可见光的效果好。因此，为了透过死亡之衣看到超新星1987A的内部，巴洛和他的同事们求助于JWST高度灵敏的红外眼，特别是望远镜的中红外仪器和近红外光谱仪。

这颗隐藏中子星的确凿证据与来自超新星1987A中心的元素氩和硫的排放有关。这些元素被电离了，这意味着它们的原子中的电子被剥离了。巴洛说，这种电离只能由中子星发出的辐射产生。

这些辐射使研究小组能够限制这颗曾经隐藏的中子星的亮度或光度。他们确定它的亮度大约是太阳的十分之一。

该团队可能已经确定中子星是由超新星1987A诞生的，但这颗中子星的所有谜团尚未解开。

这是因为作为其确凿证据的氩和硫的电离可能是由中子星以两种方式之一引起的。被快速旋转的中子星拖动并加速到接近光速的带电粒子风可能与周围的超新星物质相互作用，导致电离。或者，热中子星百万度表面发出的紫外线和X射线光可能会从恒星残骸中心的原子中剥离电子。

如果前一种情况是正确的，那么超新星1987A中心的中子星实际上是一颗被脉冲星风星云包围的脉冲星。脉冲星几乎是旋转的中子星。然而，如果后一种情况是这些排放的正确方法，那么这颗近距离超新星将产生一颗“裸露”的中子星，其表面将直接暴露在太空中。

巴洛建议，研究人员可以通过JWST的NIRSpec仪器对超新星1987A的心脏进行进一步的红外观测，来区分裸露的中子星和覆盖着脉冲星风星云的中子星。

“我们有一个正在收集数据的程序，该程序将获得3到4倍于近红外分辨率的数据，”他总结道。“因此，通过获得这些新数据，我们可能能够区分为解释中子星驱动的发射而提出的两种模型。”

该团队的研究于周四（2月22日）发表在《科学》杂志上。