大约四十年前，地球居民有幸目睹了罕见的宇宙景象：一颗在我们天空中爆炸的恒星，肉眼可见。 这颗恒星被称为 1987A 超新星 (SN 1987A)，是过去四个世纪以来最接近地球的此类事件。 从那时起，天文学家一直在寻找他们已知必定潜伏在超新星中心附近的恒星遗迹，它被包裹在不断膨胀的放射性灰烬和白炽气体星云中。 现在，借助詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的强大功能，一个科学家团队终于找到了这个难以捉摸的目标，证实了人们的怀疑，即这次爆炸产生了一颗极其致密的中子星，而不是吞噬星光 的黑洞。
这项发现于周四发表在《科学》杂志上，它利用了 JWST 前所未有的红外功能，穿透了 SN 1987A 周围的迷雾，使其在字面意义上的新光芒中被看到。 由瑞典斯德哥尔摩大学的克拉斯·弗朗松领导的天文学家，窥视了恒星消亡后留下的碎片的核心，发现了电离氩和硫的迹象——也就是说，证明某些元素受到了某种外力的冲击，以至于它们的电子被剥离了。 除非这些能量化的元素是由附近中子星发出的强烈的紫外线和 X 射线轰击形成的，否则它们不应该存在于如此靠近 SN 1987A 的“零地点”的位置。 吞噬物质并喷射出辐射爆发的黑洞也可以解释这一结果，但三十多年的观测未能揭示 SN 1987A 内存在这种东西的其他迹象，这使得 JWST 的结果几乎成为中子星存在的确凿证据。
“这非常令人兴奋，”威尔士卡迪夫大学的天体物理学家松浦美佳子说，她没有参与这项研究，并且曾在 2019 年提出，将在这次超新星中发现一颗中子星。 “这可能是超新星 1987A 中存在中子星的最有力证据。”
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SN 1987A 于 1987 年 2 月 23 日在大麦哲伦星云中爆炸，大麦哲伦星云是银河系的矮卫星星系，距离地球约 16 万光年。 自 1604 年开普勒超新星以来，再也没有如此靠近我们星球的超新星被观测到，当时一颗恒星在我们星系内约 2 万光年的距离处爆炸。 虽然 SN 1987A 最初是通过其在天空中的突然变亮而被发现的，但超新星的第一个迹象被证明来自中微子爆发，该爆发在闪光出现前几个小时席卷了地球。 在散布于全球的中微子天文台中记录到的这次爆发，是恒星散落的残骸中某处形成中子星的明显证据。 随着进一步的分析表明 SN 1987A 的前身可能是一颗质量约为太阳 18 倍的蓝色超巨星——质量很大，但仍然太轻而无法轻易形成黑洞，中子星的证据越来越多。
超新星的发生方式主要有两种：一种是当一颗恒星从小伴星那里虹吸走过多的物质并爆炸时——这会导致 Ia 型超新星，例如开普勒超新星。 另一种超新星——II 型超新星，例如 SN 1987A——发生在非常巨大的恒星身上，这种恒星原本依靠从其深处爆发出的光的外向压力来阻止自身在自身重量下坍缩，但突然耗尽了其核心的燃料。 由于没有多余的星光来支撑它，恒星的外层向内坍缩到核心，然后反弹向外爆炸，冲击波在周围物质中蔓延。 这个过程可以迅速释放出比整个星系恒星总和还要多的光，并将太阳质量的核心压碎成城市大小的超致密球体——中子星。 在初始恒星特别重的情况下——20 个太阳质量或更多——较重的结果中子星然后坍缩成黑洞。
英格兰中央兰开夏大学的乔安妮·普莱杰说，拥有一颗如此相对靠近的中子星在科学上非常令人着迷，她没有参与这项研究。 “中子星上的物理学是不同的，”她说，并指出这些天体的极端引力场挤压它们的内部，创造出奇异的物质状态，并显著地扭曲周围的时空结构。 “如果我们能探测到中子星，特别是我们可以很好地研究附近的 中子星，那么我们就可以开始了解我们在实验室中无法重现的区域的物理定律。”
虽然天文学家已经怀疑 SN 1987A 没有留下黑洞，但他们想确定。 弗朗松和他的同事在 2022 年 7 月，即 JWST 首次开始科学运行时，在超新星中心附近明显地发现了电离氩和硫的独特迹象。 弗朗松说：“[SN 1987A] 是最早观测到的天体之一，”JWST 对超新星的余波进行了大约 10 小时的研究。
“唯一能够产生这些[迹象]的能量源是中子星，”该研究的合著者、爱尔兰梅努斯大学的帕特里克·卡瓦纳夫说。 如果黑洞要做到同样的事情，它就需要贪婪地吞噬来自某个来源（例如另一颗恒星）的物质——但没有证据表明存在这种情况。 卡瓦纳夫说：“我们确信我们评估了所有不同的可能性。” “我们排除了除中子星存在之外的所有可能性。”
仔细分析电离物质发出的光表明，中子星并不完全位于 SN 1987A 的中心； 相反，它略微偏移，因为它受到了来自超新星的“踢”。 当恒星爆炸时，任何微小的失衡都会将更多的喷射物质转移到一边或另一边，导致中子星像从气球中挤出的鸡蛋一样向相反的方向后退。 观测表明，中子星正在稍微向我们移动，已经从其灾难性诞生地移动了约 5000 亿公里。 卡瓦纳夫说：“踢的速度约为每秒 400 公里”——对于我们地球上的生命来说是难以想象的快，但对于浩瀚的光年来说仍然是极其缓慢的。
目前尚不清楚 SN 1987A 的残骸是否仅仅是一颗中子星。 相反，它可能是一颗脉冲星——一颗旋转速度极快的中子星，它从两极发射出能量流，像宇宙灯塔的光束一样扫过天空。 “如果存在脉冲星，光束也没有指向我们，所以我们无法探测到它，”哈佛-史密森天体物理学中心 | 哈佛和史密森尼学会的伊薇特·森德斯说，她没有参与这项研究。 但可能还有另一种方法可以找出答案。 在标准的中子星情景中，来自恒星遗迹的巨大热量非常强烈，以至于形成了电离硅的信标，该信标散射到更远的地方，进入不断膨胀的云中。 在脉冲星模型中——发射不是由热量主导，而是由电子和其他粒子的风主导，这些粒子冲击最内部的碎片——电离硅应该更加稀少。 因此，如果在 SN 1987A 周围可以发现并绘制出硅，那么“我们可以区分两者”，卡瓦纳夫说。 截至目前尚未公布的后续 JWST 观测，是该团队在 2023 年秋季和本周早些时候进行的，其中可能包含该答案。
这些观测为 II 型超新星爆发后的最初时刻提供了新的见解。 弗朗松说：“我们以前从未见过中子星的形成。” 现在我们已经看到了，借助 JWST 和其他望远镜对这个宇宙中年轻的天体进行进一步研究，应该可以让天文学家更多地了解这些令人费解的恒星事件。 森德斯说：“在我们自己的星系中看到超新星之前，这将是我们研究得最好的超新星。”