科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆源自磁星的超亮超新星

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作者：Robert Lea

編譯：張雨荷

編排：喻思敏

后臺：李子琦

https://www.space.com/astronomy/stars/scientists-just-found-a-supercharged-supernova-powered-up-by-a-magnetic-star-corpse

NASA的費米伽馬射線太空望遠鏡觀測到了一場超亮、超高能的超新星爆發(fā)，而它背后的能量來源，是一顆擁有極強磁場的死亡恒星——一種被稱為“磁星“的中子星。這顆磁星很可能正是在超新星爆發(fā)過程中誕生的：當一顆質(zhì)量遠大于太陽的恒星走到生命盡頭，其核心在引力作用下迅速塌縮，最終形成了一顆中子星。

在這些核心坍縮超新星爆發(fā)過程中，質(zhì)量約為太陽1到2倍的恒星核心會被壓縮到僅約20公里大小。如此劇烈的壓縮使中子星擁有難以想象的密度。科學(xué)家估計，如果把一茶匙中子星物質(zhì)帶到地球，其重量將達到約1000萬噸，相當于約350座自由女神像壓在一個茶匙上。與此同時，中子星還會以極端速度旋轉(zhuǎn)，每秒可達700圈。恒星塌縮時，其磁場線也會被強行壓縮，從而使磁場強度暴漲。磁星因此成為目前已知宇宙中磁場最強的天體。

“近 20 年來，天文學(xué)家一直在費米望遠鏡的數(shù)據(jù)中尋找來自超新星的伽馬射線信號。雖然過去曾出現(xiàn)過一些有趣的線索，但直到現(xiàn)在才有了確鑿的證據(jù)”。巴黎-薩克雷大學(xué)研究負責人Fabio Acero表示。

圖注：2017年5月23日，歐洲航天局的蓋亞任務(wù)發(fā)現(xiàn)了超亮超新星SN 2017egm。圖中圓圈顯示了這顆超新星在巨大的棒旋星系NGC 3191中閃耀的光芒。

圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center

超亮超新星

過去幾十年間，天文學(xué)家已觀測到約 400 次核心坍縮超新星。根據(jù)相關(guān)垂死恒星的初始質(zhì)量不同，這類超新星也可能孕育出黑洞。其中一些恒星爆炸被描述為“超亮型”，因為它們發(fā)出的可見光亮度比其他核心坍縮型超新星要高出10倍以上。

2024 年，科學(xué)家宣布他們首次利用費米望遠鏡探測到一顆名為SN 2017egm的超亮超新星釋放出的伽馬射線。這場超新星位于距離地球約 4.4 億光年的星系NGC 3191中。雖然這意味著伽馬射線花了4.4億年才抵達地球，但它仍然是人類觀測到的距離最近的核心坍縮超新星之一。

“我們研究了費米任務(wù)前16年內(nèi)觀測到的六顆最近的超亮超新星，”來自西班牙巴塞羅那空間科學(xué)研究所的Guillem Martí-Devesa表示。“只有SN 2017egm顯示出了明確的伽馬射線證據(jù)。這證實了此前的猜測：有些超新星在伽馬射線中的亮度，可能與它們在可見光中的亮度一樣驚人。”

圖注：SN 2017egm的可見光（插圖）和伽馬射線（背景）圖。

圖片來源：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration and Acero et. al. 2026; NOT+ALFSOC/Bose et al. 2020

磁星風星云

科學(xué)家一直想知道：為什么這些超亮超新星能釋放出如此強大的能量？其中一個理論認為，它們之所以異常明亮，是因為爆炸后誕生了一顆磁星，磁星的磁場強度比普通中子星強約1000倍。

研究團隊分析了SN 2017egm 的可見光與伽馬射線數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與新生磁星的光和粒子流理論模型進行了對比。

模型中，一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)被稱為“磁星風星云”——這是由高速旋轉(zhuǎn)的新生磁星拋射出的電子與正電子云形成的區(qū)域。磁星風星云被認為能夠增強伽馬射線的產(chǎn)生和吸收。其中一種實現(xiàn)這一效應(yīng)的機制是：當物質(zhì)粒子與其反物質(zhì)對應(yīng)粒子相遇時，會發(fā)生粒子湮滅并釋放出以高能伽馬射線形式存在的能量。這些伽馬射線撞擊超新星殘骸的外層，轉(zhuǎn)化為低能的光學(xué)光，這解釋了為何這些超亮超新星在可見光下如此明亮。

“坍縮發(fā)生約三個月后，隨著超新星殘骸的膨脹和冷卻，伽馬射線便開始向外泄漏，”阿塞羅表示。“這一磁星模型最能復(fù)現(xiàn)超新星在最初數(shù)月內(nèi)的光度及其伽馬射線的到達時間，但在后期階段仍有改進空間——那時可見光的衰減表現(xiàn)得相當不規(guī)則。”

圖注： 位于W41超新星遺跡中心的Swift J1834.9-0846所發(fā)出的X射線輝光，源自首個被確認的磁星風星云（輪廓線）。

圖片來源：ESA/XMM-Newton and Younes et al. 2016

未來探索

研究團隊還評估了未來的地面伽馬射線觀測站——切倫科夫望遠鏡陣列（Cerenkov Telescope Array Observatory）——對類似事件的探測能力。結(jié)果顯示，只需 50 小時觀測時間，這座位于智利帕拉納爾天文臺與西班牙拉帕爾馬島的望遠鏡陣列，就有能力探測到距離約 5 億光年范圍內(nèi)類似的宇宙爆炸。

這將幫助科學(xué)家最終揭開這些“超級超新星”背后的真正物理機制。

該研究成果已于 5 月 20 日發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）期刊上。

責任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

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薩克雷云球
圖片來源: John Hayes

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