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1987年，人們有幸得以目睹一場(chǎng)真正的宇宙奇觀：在距離我們大約16萬(wàn)光年之外的大麥哲倫星云中，一顆恒星爆炸，產(chǎn)生了肉眼可見(jiàn)的超新星。這個(gè)超新星被命名為SN 1987A。一直以來(lái)，天文學(xué)家都知道，在SN 1987A的最核心，是由恒星坍縮形成的致密天體；但他們無(wú)法確定的是，這個(gè)致密天體究竟是什么。

大麥哲倫星云中的恒星在1987年2月23日爆炸前（右）和爆炸后（左）。圖：DavidMalin Anglo Australian Telescope

2024年2月22日，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇研究終于為我們揭開(kāi)了這個(gè)困擾天文學(xué)家30多年的謎題。那么，答案究竟是什么呢？讓我們從超新星開(kāi)始說(shuō)起。

在我們的可觀測(cè)宇宙中，至少有上千億甚至上萬(wàn)億個(gè)星系，其中包含的恒星數(shù)量更是大得驚人，所以幾乎總有一顆恒星在宇宙的某個(gè)地方爆炸了。在漫長(zhǎng)的宇宙演化史中，超新星爆發(fā)是非常重要的，因?yàn)樗粌H會(huì)將生命所必需的元素散播到宇宙中去，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生超鐵元素。

目前，天文學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)了幾種超新星類型。例如，在一個(gè)由白矮星和普通恒星構(gòu)成的雙星系統(tǒng)中，白矮星的引力會(huì)吸引伴星的物質(zhì)，當(dāng)白矮星的質(zhì)量增加到太陽(yáng)質(zhì)量的1.4倍時(shí)，就會(huì)爆炸形成所謂的Ia型超新星。正是通過(guò)測(cè)量la型超新星的距離，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹。

而SN 1987A則屬于“核心坍縮”超新星。在恒星一生中的大部分時(shí)間里，其核心的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的向外壓力會(huì)與向內(nèi)的引力相抗衡，使恒星保持平衡。然而，一旦恒星的燃料耗盡，核聚變反應(yīng)停止，這種平衡就會(huì)被打破。這時(shí)，引力會(huì)占據(jù)上風(fēng)，恒星的核心就會(huì)在引力作用下向內(nèi)坍縮。如果恒星的初始質(zhì)量足夠大時(shí)，那么它就會(huì)爆炸形成超新星，其核心要么坍縮形成中子星，要么變成黑洞。

也就是說(shuō)，在SN 1987A的中心留下的致密天體要么是中子星，要么是黑洞。理論學(xué)家預(yù)測(cè)，那里應(yīng)該是一顆中子星，他們的部分依據(jù)是因?yàn)樵诮邮盏奖óa(chǎn)生的可見(jiàn)光之前，地球上的儀器檢測(cè)到了10秒長(zhǎng)的中微子爆發(fā)；而如果坍縮成黑洞，則會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間更短的粒子爆發(fā)。

但一直以來(lái)，天文學(xué)家都無(wú)法找到確鑿的證據(jù)證明那就是一顆中子星。這其中的一個(gè)重要原因是，在恒星爆炸后會(huì)形成大量的塵埃，這些厚厚的塵埃會(huì)阻擋來(lái)自中心的大部分可見(jiàn)光。而只有像韋布空間望遠(yuǎn)鏡這樣的紅外望遠(yuǎn)鏡，才有可能幫助我們揭開(kāi)隱藏在塵埃背后的秘密。這是因?yàn)榧t外光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，更容易穿過(guò)塵埃。

2022年7月16日，研究人員使用韋布空間望遠(yuǎn)鏡上的兩種儀器，MIRI和NIRSpec，在紅外波長(zhǎng)下對(duì)SN 1987A進(jìn)行了觀測(cè)。最終，在這顆超新星遺跡的中心，他們發(fā)現(xiàn)了存在氬和硫原子的證據(jù)。氬和硫都是由大質(zhì)量恒星深處的硅和氧的核聚變產(chǎn)生的。研究人員發(fā)現(xiàn)氬和硫原子都被電離了，也就說(shuō)它們的外層電子從原子上被剝離了。為了創(chuàng)造這些電離原子，就需要高能光子，而這些光子必須來(lái)自某個(gè)地方。

這張圖結(jié)合了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和韋布空間望遠(yuǎn)鏡的NIRSpec儀器的數(shù)據(jù)。中心的微弱藍(lán)色光源是由NIRSpec儀器探測(cè)到的高度電離的氬。圖：HST,JWST/NIRSpec, J. Larsson

在論文中，研究人員討論了可能電離氬和硫的種種可能性后，最終發(fā)現(xiàn)有兩種方式被認(rèn)為是最有可能的。一種是，SN 1987A遺跡的中心可能是一顆脈沖星，也就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。脈沖星會(huì)像燈塔一樣從兩極噴出輻射束和帶電粒子，其強(qiáng)大的磁場(chǎng)會(huì)將帶電粒子加速到接近光的速度并向外發(fā)射，從而可能與周?chē)某滦俏镔|(zhì)相互作用，導(dǎo)致電離的發(fā)生。另一種是，熾熱的中子星表面會(huì)發(fā)出明亮的紫外線和X射線，足以電離附近的氬和硫原子。

目前，研究人員還無(wú)法確認(rèn)這兩個(gè)可能性哪個(gè)是對(duì)的，但無(wú)論是哪種情況，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的新觀測(cè)都為證明SN 1987A的中心是一顆中子星提供了令人信服的證據(jù)。

未來(lái)，研究人員計(jì)劃使用韋布空間望遠(yuǎn)鏡和其他地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更多的觀測(cè)。他們希望能夠更清楚地了解在SN 1987A遺跡的中心究竟發(fā)生了什么。這些觀測(cè)將有助于促進(jìn)天文學(xué)家發(fā)展出更詳盡的模型，最終使我們能夠更好地了解SN

1987A，以及所有的核坍縮超新星。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者名稱：李兆瀅

審核：韓文標(biāo)

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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