JWST 照片揭示超新星爆炸的奇异物理现象

一颗恒星一旦诞生，便开始与引力展开斗争。一颗燃烧的恒星不断释放出足够的能量来对抗引力的向内压力。但一旦燃料耗尽，引力便会胜出：恒星发生内爆，其大部分质量变成中子星（一种城市大小的超高密度天体）或黑洞。剩余部分则向外爆炸，像子弹一样飞向太空。

天文学家最近通过训练 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 对准年轻的 超新星 遗迹 仙后座A，捕捉到了这场暴力事件的新图像。其爆炸的光芒大约在350年前，艾萨克·牛顿时代左右到达地球。“这个特殊的天体非常重要，因为它相对较近且年轻，所以你看到的是恒星如何爆炸的冻结时间画面，”达特茅斯学院天文学家罗伯特·A·费森说。

几十年来，天文学家一直在研究这个附近的奇观，但 JWST 的观测比以往任何天文台都更近。“韦伯图像真的令人惊叹，”费森说，他领导了第一个使用哈勃太空望远镜研究仙后座A的团队。哈勃主要在光学光（人眼可见的波长范围）中观测，而 JWST 则捕捉更长波长的红外光，并且它使用更大的反射镜以更高的分辨率捕捉图像。

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最近的照片正在帮助科学家解答他们最紧迫的 关于超新星的问题，例如哪些类型的恒星以何种方式爆炸，以及这些爆发究竟是如何展开的。“在理解这种爆炸如何发生的过程中，存在着许多复杂但美丽的物理学，”普渡大学天文学家丹尼·米利萨夫列维奇说，他领导了 JWST 图像背后的团队。

恒星最初在其聚变炉中将氢燃烧成氦。当氢耗尽时，它们融合氦以制造碳，然后融合碳以制造氖，依此类推，直到它们到达铁，融合铁所需的能量超过了它释放的能量。此时，恒星开始在引力作用下坍缩，其物质向内塌陷，直到其原子内部的大部分质子和电子被挤压在一起形成中子。最终，中子无法进一步坍缩——它们变成中子星，其中的粒子经历如此极端的压力，以至于它们触发了排斥冲击波。（只有质量最大的恒星才会以超新星结束其生命。例如，太阳将逐渐衰变成白矮星。）

天文学家仍然无法完全解释超新星的爆炸威力。“人们认为，当中子星形成时产生的这种反弹冲击可能会使恒星爆炸，”米利萨夫列维奇说。“但是，在世界上最快的计算机上进行了数十年的模拟表明，反弹冲击不足以克服想要塌陷的上方巨大层。” 目前，超新星爆炸的核心驱动因素仍然是一个谜。研究人员怀疑答案与中微子有关，中微子是几乎没有质量的粒子，倾向于不受阻碍地穿过物质。也许在恒星核心的极端温度和密度下，一些中微子的能量用于恢复冲击。但还需要更多的观测来验证这个想法。

关于仙后座A，JWST 的发现之一是爆炸期间从其恒星中逸出的气体层。这些 JWST 图像显示了气体在与恒星外部物质相互作用之前，以及在被恒星爆发期间释放的冲击波反射加热之前的情况。来自超新星的这种原始喷射物显示出网状结构，为恒星爆炸前的状态提供了线索。“JWST 基本上给了我们一张该物质结构图，”普林斯顿大学天文学家蒂亚·泰米姆说，他参与了 JWST 图像的合作。“这告诉我们物质在超新星爆发前是如何分布的。我们以前从未见过这样的东西。”

这项调查还揭示了仙后座A的一个意外特征，科学家将其命名为“绿色怪物”。天文学家认为，这层气体是恒星在爆炸之前喷射出来的。“绿色怪物是一个令人兴奋的惊喜，”泰米姆说。科学家们对超新星残骸飞入绿色怪物中的物质时会发生什么感兴趣。“这很重要，”泰米姆说，“因为当我们观察河外超新星时，它们的光线很大程度上受到周围物质的影响。”

破译超新星的细节甚至可以帮助我们理解地球及其生命是如何产生的。恒星创造了生命所需的比氢和氦更重的元素。它们的生命终结爆发 将这些元素喷射到太空，为星系播撒形成新恒星和行星的原材料。“作为宇宙的公民，理解这个使我们在宇宙中占据一席之地的基本过程非常重要，”米利萨夫列维奇说。

天文学家将继续研究仙后座A，尽管他们的成功使他们渴望将 JWST 的目光转向我们星系中其他大约 400 个已识别的超新星遗迹。获得更大的样本将帮助研究人员将遗迹外观和演化的差异与产生它们的恒星之间的差异联系起来。

天体爆竹

仙后座A是已知离地球最近的年轻超新星爆发的遗迹，那次爆发发生在约350年前。来自詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的最新数据与哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和斯皮策太空望远镜的早期观测结果相结合，在这张图像中比以往任何时候都更清晰地揭示了仙后座A。

哈勃的重大进步

在 JWST 图像之前，哈勃对仙后座A的观测是革命性的。在2006年拍摄的照片中，哈勃将地面观测的分辨率提高了10倍。在此过程中，它能够分辨出在超新星爆发期间喷射出的物质团块，这些团块的行进速度令人震惊，介于每秒 8,000 到 10,000 公里之间。“爆炸极其猛烈，”费森说。“恒星的外层似乎破碎成气体团块，几乎就像恒星破碎成成千上万块碎片。” 费森说，科学家们没有意识到爆炸会产生如此多的团块。“大自然必须向我们展示恒星实际上会这样做。”

JWST 的视角

JWST 是有史以来最强大的望远镜，它拍摄的仙后座A肖像显示了前所未有的细节。该天文台的中红外仪器 (MIRI) 捕捉到各种波段的红外光，这些红外光已在此图中转换为相应的可见光颜色。图像顶部和左侧的橙色和红色流动显示了爆炸恒星的物质撞击周围区域的气体和尘埃的位置。在这个外壳内部是爆炸期间释放的明亮的粉红色细丝。朝向中心左侧的深红色网络代表来自爆炸的原始结构，可能包含有关恒星爆炸前状态的线索。

绿色怪物

放大 JWST 图像会发现一个惊喜——一个绿色的气泡，科学家们以波士顿芬威球场的一面绿墙将其称为“绿色怪物”。这个斑点是由恒星在爆裂之前抛出的气体层组成的。“它看起来很奇怪，并且具有这种奇异的环和细丝分布，”米利萨夫列维奇说。“编码在这个谜题中的是关于恒星在爆炸前如何释放质量的信息。”

绿色怪物中明显的孔洞似乎提供了费森和他的团队用哈勃观测到的喷射物团块的证据。“来自 JWST 的图像显示了小孔，几乎像弹孔，几乎是完美的圆形，”他说。科学家们认为，快速移动的超新星物质团块像弹片一样穿透周围的气体片，从而形成孔洞。孔洞的大小揭示了团块的巨大尺寸——大约 500 个天文单位（地球和太阳之间的距离）。“当这些团块在太空中航行时，它们已经膨胀到比太阳系还大，”费森说。

晶莹剔透

另一个 JWST 仪器，近红外相机 (NIRCam)，以比 MIRI 更短波长的光展示了仙后座A。“NIRCam 的优势在于分辨率，”米利萨夫列维奇说。“当你像这样放大时，它令人震惊。我将用我的余生来尝试理解这些尺度上的超新星。” 他希望利用这些数据来理解爆炸的冲击波是如何塑造它遇到的气体的，以及超新星物质可以变得多么密集，从而收集有关灾难如何展开的线索。