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1987年，人們有幸得以目睹一場真正的宇宙奇觀：在距離我們大約16萬光年之外的大麥哲倫星云中，一顆恒星爆炸，產(chǎn)生了肉眼可見的超新星。這個超新星被命名為SN 1987A。一直以來，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；但他們無法確定的是，這個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了這個困擾天文學(xué)家30多年的謎題。那么，答案究竟是什么呢？讓我們從超新星開始說起。

在我們的可觀測宇宙中，至少有上千億甚至上萬億個星系，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地方爆炸了。在漫長的宇宙演化史中，超新星爆發(fā)是非常重要的，因為它不僅會將生命所必需的元素散播到宇宙中去，同時也會產(chǎn)生超鐵元素。

目前，天文學(xué)家已經(jīng)確認了幾種超新星類型。例如，在一個由白矮星和普通恒星構(gòu)成的雙星系統(tǒng)中，白矮星的引力會吸引伴星的物質(zhì)，當(dāng)白矮星的質(zhì)量增加到太陽質(zhì)量的1.4倍時，就會爆炸形成所謂的Ia型超新星。正是通過測量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間里，其核心的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的向外壓力會與向內(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，這種平衡就會被打破。這時，引力會占據(jù)上風(fēng)，恒星的核心就會在引力作用下向內(nèi)坍縮。如果恒星的初始質(zhì)量足夠大時，那么它就會爆炸形成超新星，其核心要么坍縮形成中子星，要么變成黑洞。

也就是說，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，那里應(yīng)該是一顆中子星，他們的部分依據(jù)是因為在接收到爆炸產(chǎn)生的可見光之前，地球上的儀器檢測到了10秒長的中微子爆發(fā)；而如果坍縮成黑洞，則會產(chǎn)生持續(xù)時間更短的粒子爆發(fā)。

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

2022年7月16日，研究人員使用韋布空間望遠鏡上的兩種儀器，MIRI和NIRSpec，在紅外波長下對SN 1987A進行了觀測。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，而這些光子必須來自某個地方。

這張圖結(jié)合了哈勃太空望遠鏡和韋布空間望遠鏡的NIRSpec儀器的數(shù)據(jù)。中心的微弱藍色光源是由NIRSpec儀器探測到的高度電離的氬。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。脈沖星會像燈塔一樣從兩極噴出輻射束和帶電粒子，其強大的磁場會將帶電粒子加速到接近光的速度并向外發(fā)射，從而可能與周圍的超新星物質(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，研究人員還無法確認這兩個可能性哪個是對的，但無論是哪種情況，韋布空間望遠鏡的新觀測都為證明SN 1987A的中心是一顆中子星提供了令人信服的證據(jù)。

未來，研究人員計劃使用韋布空間望遠鏡和其他地面望遠鏡進行更多的觀測。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。這些觀測將有助于促進天文學(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·星空計劃扶持作品

作者名稱：李兆瀅

審核：韓文標(biāo)

出品：中國科協(xié)科普部

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