詹姆斯·韦伯太空望远镜在炽热的超新星残骸中探测到中子星存在的证据

使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的天文学家可能成为这场神秘的长达 37 年的捉迷藏游戏的赢家，并在这一过程中解开了恒星死亡之谜。他们在最著名的太空超新星之一的残骸中发现了中子星存在的最佳证据。

这次大规模恒星爆炸产生了如此多的碎片，以至于花了数年时间，并使用有史以来最强大的太空望远镜之一才得以透过恒星死亡的残骸进行观察。研究结果详述于 2 月 22 日发表在《科学》杂志上的一项研究中，并推动了对这些戏剧性天体死亡的研究。

这项研究的共同作者、伦敦大学学院天体物理学家迈克·巴洛在一份声明中表示：“中子星是否隐藏在尘埃中的谜团已经持续了 30 多年，令人兴奋的是，我们终于解决了这个问题。”

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什么是超新星？

超新星是已知宇宙中一些质量最大的恒星最终爆炸死亡的产物。它们发生在质量为太阳 8 到 10 倍的恒星中，因此所有气体和能量可能需要数年时间才能自行坍缩。其最终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实时研究关键天文过程的方法。像这样的爆炸使太空充满了铁、硅、碳和氧，形成了未来的恒星和行星。它们甚至可以产生创造生命的分子。

在这项研究中，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 16 万光年的一个叫做大麦哲伦星云的区域。它的光于 1987 年 2 月首次在地球上观测到，亮度在当年 5 月达到峰值。这是自 1604 年开普勒超新星以来第一颗可以用肉眼看到的超新星。

“超新星是生命诞生所需的化学元素的主要来源，因此我们希望建立正确的超新星模型，”巴洛说道。“没有其他物体像超新星 1987A 中的中子星一样，距离我们如此之近，而且形成时间如此之近。由于它周围的物质正在膨胀，随着时间的推移，我们将看到更多这样的物质。”

SN 1987A 也被认为是一颗核心坍缩超新星，其压缩残余物可能形成中子星或黑洞。超新星产生的一些极小的亚原子粒子（称为中微子）表明可能已经形成了中子星。然而，自 SN 1987A 被发现以来的近 40 年里，尚不清楚这颗中子星是持续存在还是坍缩成黑洞。这颗恒星一直被爆炸产生的尘埃所掩盖。

詹姆斯·韦伯太空望远镜如何确认中子星的存在

这项研究的观测是在 2022 年 7 月 16 日进行的，就在太空望远镜投入使用后不久。研究小组使用了 JWST 仪器——MIRI 和 NIRSpec——可以在红外波长下观察超新星，以观察尘埃之外的情况。他们发现了重氩和硫原子的证据，这些原子的外层电子在爆炸发生的地方附近被剥离。这个过程称为电离。

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他们模拟了多种情况，发现原子可能被来自热冷却中子星的紫外线和 X 射线辐射电离。这也可能是由于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而产生的。

“我们利用詹姆斯·韦伯望远镜的 MIRI 和 NIRSpec 光谱仪探测到超新星 1987A 周围星云中心的强电离氩和硫发射线，这直接证明了存在中心电离辐射源，”巴洛说。“我们的数据只能证明中子星是该电离辐射的能量源。”

这一发现与关于中子星形成的几种理论相一致。模型表明，在垂死恒星变成超新星之前，其内部会产生大量的硫和氩。研究 SN 1987A 和其他超新星的科学家预测，超新星遗迹中的紫外线和 X 射线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。

“这颗超新星不断给我们带来惊喜，”研究报告合著者、瑞典皇家理工学院天体物理学家 Josefin Larsson 在一份声明中表示。“没有人预测到这颗致密天体会通过来自氩的超强发射线被探测到，所以我们在詹姆斯·韦伯太空望远镜上发现它的方式很有趣。”