韦伯太空望远镜改写了蟹状星云超新星的起源故事

新数据修正了我们对这一不寻常超新星爆炸的看法。蟹状星云是恒星在超新星爆炸中剧烈死亡后留下的碎片的一个近似例子。然而，尽管经过了几十年的研究，这个超新星遗迹仍然保持着一定程度的神秘性：是什么类型的恒星造成了蟹状星云的产生，爆炸的性质又是什么？

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）剖析了蟹状星云的结构，为天文学家继续评估有关超新星残余物起源的主要理论提供了帮助。利用韦伯望远镜的近红外相机（NIRCam）和中红外成像仪（MIRI）收集到的数据，科学家小组得以仔细观察蟹状星云的一些主要组成部分。资料来源：美国国家航空航天局

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）提供了蟹状体的新视图，包括迄今为止最高质量的红外数据，帮助科学家探索残余物的详细结构和化学成分。这些线索有助于揭开这颗恒星在大约1000年前爆炸的不寻常方式。

天文学家有史以来第一次绘制出了这颗超新星残余物的暖尘埃发射图。尘粒以蓬松的洋红色物质为代表，形成了一个笼状结构，在残余物的左下方和右上方最为明显。尘埃细丝也遍布蟹状体内部，有时与绿色的双电离硫（III 号硫）区域重合。黄白色的斑驳细丝在超新星残余物中心周围形成大的环状结构，代表了尘埃和双电离硫重叠的区域。尘埃的笼状结构有助于限制一些幽灵般的同步辐射，但不是所有蓝色的同步辐射。这些发射就像一缕缕烟雾，在蟹状体中心最为明显。细细的蓝色丝带沿着蟹状体的脉冲星心脏--一颗快速旋转的中子星--产生的磁场线延伸。

资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Tea Temim（普林斯顿大学）

一个科学家小组利用美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜解析了蟹状星云的成分，这是一个超新星残余物，位于大约6500光年外的金牛座。利用望远镜的中红外成像仪（MIRI）和近红外相机（NIRCam），研究小组收集到的数据有助于澄清蟹状星云的历史。

蟹状星云是一颗大质量恒星死亡后发生的核心坍缩超新星的结果。超新星爆炸本身是在公元 1054 年在地球上看到的，当时的亮度足以在白天观测到。今天观测到的暗得多的残留物是一个不断膨胀的气体和尘埃外壳，以及由脉冲星驱动的外流风，脉冲星是一颗快速旋转和高度磁化的中子星。

蟹状星云也非常不寻常。它的非典型成分和极低的爆炸能量以前曾被解释为电子捕获超新星--一种罕见的爆炸类型，产生于内核由氧、氖和镁组成的进化程度较低的恒星，而不是更典型的铁内核。

"现在，韦伯数据拓宽了可能的解释，"该研究的第一作者、新泽西州普林斯顿大学的 Tea Temim 说。"气体的组成不再需要电子捕获爆炸，也可以用弱铁核坍缩超新星来解释。"

由韦伯望远镜的近红外波束和中红外成像仪拍摄的蟹状星云图像，并附有罗盘箭头、比例尺和参考色键。向北和向东的罗盘箭头表示图像在天空中的方位，相对于地面地图上的方向箭头（从上往下看），天空中的北方和东方之间的关系（从下往上看）是颠倒的。刻度条标注的单位是光年，即光在一个地球年中的传播距离。(光走过与光柱长度相等的距离需要 2 年）。一光年约等于 5.88 万亿英里或 9.46 万亿公里。本图中显示的视场直径约为 10 光年。这幅图像显示的是不可见的近红外和中红外光波长，这些波长已被转换成可见光的颜色。色键显示了 NIRCam 和 MIRI 观测到的成分，以及每个特征所对应的可见光颜色。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Tea Temim（普林斯顿大学）

过去的研究工作是根据现今喷出物的数量和速度计算爆炸的总动能。天文学家推断，爆炸的性质是能量相对较低（不到普通超新星的十分之一），原恒星的质量在 8 到 10 个太阳质量之间--在经历超新星剧烈死亡和不经历超新星剧烈死亡的恒星之间徘徊。

然而，捕获超新星理论与蟹号的观测结果之间存在矛盾，特别是观测到的脉冲星的快速运动。近年来，天文学家对铁核坍缩超新星的认识也有了提高，现在他们认为，只要恒星质量足够低，这种类型的超新星也能产生低能爆炸。

为了降低蟹状体祖星和爆炸性质的不确定性，Temim 领导的研究小组利用韦伯望远镜的光谱能力，对蟹状体内丝的两个区域进行了仔细观察。

理论预测，由于电子捕获超新星内核的化学成分不同，镍/铁丰度比（Ni/Fe）应该远远高于在太阳中测得的比率（太阳中的这些元素来自前几代恒星）。20世纪80年代末和90年代初的研究利用光学和近红外数据测量了蟹体内的镍/铁比率，并注意到镍/铁丰度比率很高，似乎有利于电子捕获超新星的设想。

韦伯望远镜具有灵敏的红外能力，目前正在推进蟹状星云的研究。研究小组利用 MIRI 的光谱能力测量了镍和铁的发射线，从而对镍/铁丰度比做出了更可靠的估计。他们发现，与太阳相比，镍/铁丰度比仍然偏高，但幅度不大，与之前的估计值相比要低得多。

修订后的数值与电子捕获是一致的，但并不排除类似低质量恒星的铁核坍缩爆炸。(来自高质恒星的高能爆炸预计会产生更接近太阳丰度的比率）。要区分这两种可能性，还需要进一步的观测和理论工作。

华盛顿海军研究实验室的马丁-拉明（Martin Laming）是这篇论文的合著者之一，他说："目前，韦伯望远镜的光谱数据只覆盖了蟹状体的两个小区域，因此研究更多的残留物并确定任何空间变化非常重要。如果我们能识别出其他元素（如钴或锗）的发射线，那将会非常有趣"。

除了从蟹状星云内部的两个小区域获取光谱数据以测量丰度比之外，这台望远镜还观测了残余物的大环境，以了解同步辐射和尘埃分布的细节。

通过近红外成像仪收集的图像和数据，研究小组首次分离出蟹体内的尘埃辐射，并绘制出高分辨率的地图。通过利用韦伯望远镜绘制暖色尘埃发射图，甚至将其与赫歇尔空间天文台关于较冷尘埃颗粒的数据相结合，研究小组绘制出了一幅全面的尘埃分布图：最外层的细丝含有相对较暖的尘埃，而较冷的尘埃颗粒则普遍存在于中心附近。

亚利桑那大学斯图尔特天文台的内森-史密斯（Nathan Smith）是这篇论文的合著者之一，他说："在蟹状天体中看到尘埃的位置很有趣，因为它不同于其他超新星残骸，比如仙后座A和超新星1987A。在这些天体中，尘埃位于最中心。而在蟹状星云中，尘埃位于外壳的致密细丝中。蟹状星云符合天文学的传统：最近、最亮、研究得最好的天体往往是奇异的。"

这些发现发表在《天体物理学杂志通讯》上。

编译自/ScitechDaily