用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜研究蟹状星云的起源

December2017

据美国宇航局（韦伯任务团队）：新的数据修正了我们对这种不寻常的超新星爆炸的看法。

一组科学家使用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜分析了蟹状星云的成分，蟹状星云是一颗超新星遗迹，位于6500光年外的金牛座。利用望远镜的MIRI（中红外仪器）和NIRCam（近红外相机），该团队收集了有助于澄清蟹状星云历史的数据。

蟹状星云是一颗大质量恒星死亡后核心坍塌超新星的结果。这颗超新星爆炸本身于公元1054年在地球上被观测到，其亮度足以在白天看到。今天观察到的微弱得多的残骸是一个膨胀的气体和尘埃外壳，以及由脉冲星（一颗快速旋转且高度磁化的中子星）提供动力的外流风。

蟹状星云也是极不寻常的。它的非典型成分和极低的爆炸能量以前已经被电子捕获超新星所解释——这是一种罕见的爆炸类型，由一颗由氧、氖和镁组成的核心进化较少的恒星而不是一个更典型的铁芯引起。

新泽西州普林斯顿大学这项研究的主要作者Tea Temim说：“现在Webb的数据拓宽了可能的解释。”。“气体的成分不再需要电子捕获爆炸，但也可以用弱铁芯坍塌超新星来解释。”



这张由美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜的NIRCam（近红外相机）和MIRI（中红外仪器）拍摄的图像显示了蟹状星云的不同结构细节。超新星遗迹由几种不同的成分组成，包括双电离硫（以绿色表示）、暖尘（品红色）和同步辐射（蓝色）。螃蟹内部的黄白色斑点细丝代表了灰尘和双重电离硫重合的区域。这些观测结果是作为1714号普通观察员计划的一部分进行的。图像：美国国家航空航天局、欧空局、加拿大航天局、STScI、T.Temim（普林斯顿大学）

研究现在以了解过去

过去的研究工作是根据当今喷出物的数量和速度计算爆炸的总动能。天文学家推断，爆炸的性质是能量相对较低的（不到正常超新星的十分之一），祖恒星的质量在8到10个太阳质量的范围内——在经历过超新星剧烈死亡的恒星和没有经历过的恒星之间的细线上摇摇欲坠。

然而，电子捕获超新星理论与蟹状星团的观测结果之间存在不一致之处，特别是观测到的脉冲星的快速运动。近年来，天文学家们也提高了对铁芯坍塌超新星的理解，现在认为只要恒星质量足够低，这种类型的超新星也可以产生低能爆炸。

Webb测量协调历史结果

为了降低围绕螃蟹祖恒星和爆炸性质的不确定性，Temim领导的团队利用韦伯的光谱能力深入研究了螃蟹内部细丝内的两个区域。

理论预测，由于电子捕获超新星核心的化学成分不同，镍与铁（Ni/Fe）的丰度比应该远高于在我们的太阳中测得的比值（其中包含前几代恒星的这些元素）。20世纪80年代末和90年代初的研究使用光学和近红外数据测量了螃蟹体内的Ni/Fe比率，并注意到高Ni/Fe丰度比率似乎有利于电子捕获超新星的情况。

韦伯望远镜凭借其灵敏的红外能力，正在推进蟹状星云的研究。该团队使用MIRI的光谱能力来测量镍和铁的发射线，从而对Ni/Fe丰度比进行了更可靠的估计。他们发现，与太阳相比，这一比例仍然很高，但与之前的估计相比，仅略低。

修正后的数值与电子捕获一致，但不排除来自类似低质量恒星的铁芯坍塌爆炸。（来自质量更高恒星的更高能量爆炸预计会产生更接近太阳丰度的比率。）需要进一步的观测和理论工作来区分这两种可能性。

华盛顿海军研究实验室的马丁·拉明是该论文的合著者，他说：“目前，韦伯的光谱数据覆盖了螃蟹的两个小区域，因此研究更多的残骸并确定任何空间变化是很重要的。”。“如果我们能识别出钴或锗等其他元素的发射线，那将是一件有趣的事情。”

绘制蟹状星云的当前状态

除了从蟹状星云内部的两个小区域提取光谱数据来测量丰度比外，该望远镜还观察了残骸更广阔的环境，以了解同步辐射和尘埃分布的细节。

MIRI收集的图像和数据使该团队能够隔离螃蟹体内的灰尘排放，并首次以高分辨率绘制地图。通过用韦伯绘制暖尘排放图，甚至将其与赫歇尔太空天文台关于较冷尘埃颗粒的数据相结合，该团队创建了一幅全面的尘埃分布图：最外层的细丝含有相对较暖的尘埃，而较冷的颗粒在中心附近普遍存在。

亚利桑那大学Steward天文台的Nathan Smith是该论文的合著者之一，他说：“在螃蟹中看到尘埃的地方很有趣，因为它不同于其他超新星遗迹，如仙后座A和超新星1987A。”。“在这些天体中，尘埃位于最中心。在蟹状星云中，尘埃存在于外壳的致密细丝中。蟹状星云符合天文学的传统：距离最近、最亮、研究得最好的天体往往很奇怪。”

这些发现已被《天体物理杂志快报》接受发表。

这些观测结果是作为1714号普通观察员计划的一部分进行的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由美国国家航空航天局及其合作伙伴欧空局和加拿大航天局领导的一个国际项目。