詹姆斯·韦伯太空望远镜发现年轻超新星遗迹中心存在中子星的证据

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜在最近观测到的一颗超新星的位置发现了中子星辐射的最佳证据。这颗被称为SN 1987A的超新星是一颗核心坍缩超新星，这意味着其核心被压缩的残骸形成了一颗中子星或一个黑洞。长期以来，人们一直在寻找这样一个致密天体存在的证据，虽然以前已经发现过中子星存在的间接证据，但这是第一次探测到可能是年轻中子星的高能辐射的影响。

超新星——一些大质量恒星爆炸后的最后死亡阵痛——在数小时内爆炸，爆炸亮度在几个月内达到峰值。爆炸恒星的残骸将在接下来的几十年里继续快速演化，这为天文学家实时研究一个关键的天文过程提供了一个难得的机会。

超新星1987A

超新星SN 1987A发生在距离地球16万光年的大麦哲伦星云中。它于1987年2月首次在地球上被观测到，其亮度在当年5月达到峰值。这是自1604年观测到开普勒超新星以来，第一颗可以用肉眼看到的超新星。

在对SN 1987A进行首次可见光观测的的两小时前，世界各地的三个天文台探测到了一次中微子爆发，持续时间只有几秒钟。这两种不同类型的观测结果与同一个超新星事件有关，并为核心坍缩超新星如何发生的理论提供了重要证据。这个理论包括了这种类型的超新星会形成中子星或黑洞的预期。从那以后，天文学家一直在寻找证据，以证明在膨胀的残余物质中心存在这样或那样的致密天体。

在过去的几年里，人们已经发现了在遗迹中心存在中子星的间接证据，对更古老的超新星遗迹——如蟹状星云）的观测也证实了中子星存在于许多超新星遗迹中。然而，直到现在，还没有直接的证据表明SN 1987A（或其他任何类似的近期超新星爆炸）的余波中产生中子星的直接证据。

图片: 超新星1987A

詹姆斯·韦伯太空望远镜在最近观测到的著名超新星SN 1987A的位置观测到一颗中子星辐射的最佳证据。左边是2023年发布的NIRCam（近红外相机）图像。右上方的图像显示了由MIRI（中红外仪器）的中分辨率光谱仪（MRS）模式拍摄的单电离氩（氩II）发出的光。右下角的图像显示了由NIRSpec（近红外光谱仪）拍摄的多次电离氩发出的光。两种仪器都显示了来自超新星遗迹中心的强烈信号。这向科学团队表明，那里有一个高能辐射源，很可能是一颗中子星。
影像来源：NASA, ESA, CSA, STScI, C. Fransson (Stockholm University), M. Matsuura (Cardiff University), M. J. Barlow (University College London), P. J. Kavanagh (Maynooth University), J. Larsson (KTH Royal Institute of Technology)

斯德哥尔摩大学的克拉斯·弗朗森（Claes Fransson）是这项研究的主要作者，他解释说：“从SN 1987A的理论模型来看，在超新星爆发前10秒钟观测到的中微子爆发意味着在爆炸中形成了一颗中子星或黑洞。但是我们还没有从任何超新星爆炸中观测到这种新生天体的任何令人信服的特征。通过这个天文台，我们现在找到了新生致密天体（很可能是一颗中子星）引发辐射的直接证据。”

韦伯对SN 1987A的观测

韦伯于2022年7月开始科学观测，这项工作背后的韦伯观测于7月16日进行，这使得SN 1987A残骸成为韦伯观测到的的首批天体之一。研究团队使用了韦伯的MIRI（中红外仪器）的中分辨率光谱仪（MRS）模式，该模式是由同一研究团队的成员帮助开发。MRS是一种被称为积分场单元（IFU）的仪器。

IFU能够对天体成像，并同时拍摄其光谱。IFU在每个像素上形成光谱，使观测者能够看到整个天体的光谱差异。分析每个光谱的多普勒频移还可以评估每个位置的速度。

光谱分析结果显示，由于SN 1987A原始位置周围抛射物质中心的电离氩，产生了强烈的信号。随后使用韦伯的NIRSpec（近红外摄谱仪）IFU在较短波长的观测发现了更多的重电离化学元素，特别是5倍电离的氩（指失去了18个电子中的5个的氩原子)。这种离子需要高能光子才能形成，而这些光子必须来自某个地方。

“要形成我们在喷出物中观测到的这些离子，很明显，在SN 1987A残骸的中心必须有一个高能辐射源。”弗朗森说。“在这篇论文中，我们讨论了不同的可能性，发现只有几种情况是可能的，所有这些都涉及到一颗新生的中子星。”

今年计划利用韦伯望远镜和地面望远镜进行更多的观测。研究团队希望正在进行的研究能更清楚地说明SN 1987A遗迹的中心到底发生了什么。这些观测结果将有望促进更详细模型的开发，最终使天文学家不仅能更好地了解SN 1987A，还能更好地了解所有核心坍缩超新星。

这些发现发表在《科学》杂志上。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一个国际项目。

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参考来源：

https://science.nasa.gov/missions/webb/webb-finds-evidence-for-neutron-star-at-heart-of-young-supernova-remnant/