詹姆斯・韦伯望远镜首次探测到超新星爆发,距地球约 30 亿光年

2022/8/4 15:38:09 来源:新浪科技 作者:- 责编:汪淼

北京时间 8 月 4 日下午消息,据报道,美国国家航空航天局(NASA)耗资 100 亿美元打造的詹姆斯・韦布太空望远镜(JWST)捕捉到了 300 多万年前的一场恒星爆发。2011 年时,哈勃太空望远镜对同一个星系进行了观测,但没有发现这颗超新星的存在。

这颗超新星所在的星系距离地球约 30 亿光年,刚投入运行不久的韦布望远镜捕捉到了它发出的明亮光束。这是该望远镜首次观测到垂死恒星的爆炸。

詹姆斯·韦布望远镜发现了一颗超新星,天文学家对这一发现感到困惑,因为这台望远镜的设计目的并不是寻找垂死的恒星

超新星是恒星演化接近末期时经历的剧烈爆炸,是其耗尽燃料时“最后的狂欢”。燃料耗尽会导致压力下降,在此过程中,恒星物质会膨胀到至少 5 倍于太阳质量的规模 —— 大约是地球的 33.3 万倍 —— 然后发生剧烈的爆炸,释放出大量碎片和粒子。

这场恒星爆炸发生在 SDSS.J141930.11+5251593 星系。韦布望远镜拍摄的图像显示,有一个天体的光线在 5 天的时间跨度内变暗,这一线索引出了存在超新星的推测。空间望远镜科学研究所(STScI)的迈克・恩格泽尔表示,韦布望远镜的设计初衷并不是为了探测新的瞬变现象,因此这一发现尤其令人兴奋。

这颗潜在的超新星是由韦布望远镜上的近红外相机(NIRCam)拍摄到的,该仪器的光谱覆盖范围从可见光边缘(0.6 微米)到近红外光(5 微米),可用于探测来自最早恒星和星系的光。NIRCam 配备了日冕仪,这种仪器可以让天文学家拍摄中央明亮物体 —— 比如恒星系统 —— 周围光线非常微弱的物体,或者恒星爆炸事件,如超新星。

恩格泽尔指出,韦布望远镜当时正好在探测 SDSS.J141930.11+5251593 星系,拍摄到这颗超新星有很大的运气成分。这颗垂死的恒星在图像中是一个小亮点,在 2011 年哈勃太空望远镜拍摄的星系图片中并不存在。恩格泽尔和他的团队使用了一种软件,可以发现图片中导致明亮斑点的差异。

研究团队使用软件分析了詹姆斯・韦布望远镜的图片与 2011 年哈勃望远镜拍摄的同一区域的图片,从中识别出小而明亮的光斑

▲ 研究团队使用软件分析了詹姆斯・韦布望远镜的图片与 2011 年哈勃望远镜拍摄的同一区域的图片,从中识别出小而明亮的光斑

仅仅投入运行一周后,韦布望远镜就证明了其巨额的花费是值得的。7 月 12 日,韦布望远镜团队发布了第一张官方深空图片;一周后,科学家宣布它发现了一个 135 亿年前的星系,这是目前人类能看到的宇宙中最古老的星系。该星系被称为 GLASS-z13 (GN-z13),在 138 亿年前发生的大爆炸后仅 3 亿年时形成。之前的记录保持者是哈勃望远镜在 2015 年发现的 GN-z11 星系,其历史可以追溯到宇宙诞生后 4 亿年时。韦布望远镜使用近红外相机(NIRCam)捕捉到了 GN-z13 星系的模样。在探测 GN-z13 星系区域时,韦布望远镜还发现了 GN-z11 星系。

仅仅投入运行一周后,韦布望远镜就证明了其巨额的花费是值得的。7月12日,韦布望远镜团队发布了第一张官方深空图片;一周后,科学家宣布它发现了一个135亿年前的星系,这是目前人类肉眼看到的宇宙中最古老的星系

据《新科学家》杂志报道,美国哈佛大学和史密森天体物理中心的科学家们注意到,尽管这些星系都很古老,但其规模都非常小。GN-z13 星系的直径约为 1600 光年,而 GLASS z-11 星系直径为 2300 光年。相比之下,我们所处的银河系直径约为 10 万光年。研究人员在预印本网站 arXiv 上发表的论文中指出,这两个星系的质量都相当于太阳的 10 亿倍,比银河系小很多(银河系质量约为太阳的 1.5 万亿倍),这是因为它们都是在大爆炸发生后不久形成的。

该研究小组还指出,这些星系的成长过程中会吞噬其区域内的恒星。“这两个星系对宇宙黎明时期的星系演化过程提出了新的限制条件,”研究人员在论文中写道,“结果表明,GNz11 的发现不仅仅是运气好,而是可能存在一群具有极高恒星形成效率的紫外线光源。”

如何解读韦布望远镜的斯蒂芬五重星系图片?

在詹姆斯・韦布望远镜公布的第一批图片中,最引人注目的当属斯蒂芬五重星系(Stephan’s Quintet)的图片。1877 年,天文学家爱德华・斯蒂芬(Édouard Stephan)首次在飞马座发现的这个星系群。这个华丽的星系集合可以说是所谓的“致密星系群”的最初形态,其中 4 个星系之间的关联非常紧密,相互碰撞和引力作用非常显著,很可能会合并成一个巨大的星系。在所有致密星系群中,斯蒂芬五重星系是研究最多的,也提供了气体、恒星和一堆暗物质如何在如此巨大的规模上增长和进化的重要线索。

詹姆斯·韦布望远镜的斯蒂芬五重星系图像蕴含着大量新的信息

▲ 詹姆斯・韦布望远镜的斯蒂芬五重星系图像蕴含着大量新的信息

在韦布望远镜的图像中,右侧的 4 个星系通过引力作用紧密而有力地联系在一起,数以十亿计的恒星在那里被撕裂成巨大的飘带;当气体受到干扰时,会触发规模巨大的恒星形成事件。有趣的是,正是这些相互作用减缓了斯蒂芬五重星系向单个巨型星系坍塌的过程,而目前,这种转变和星系个体之间似乎取得了平衡。与任何一张优秀的星系图像一样,韦布望远镜的斯蒂芬五重星系图像可以解读出无数的信息,但从更宏大的角度,我们可以从中找出 7 个亮点,帮助我们理解这一奇妙的宇宙场景。

(1)与众不同:这个星系(NGC 7320)距离地球只有 4000 万光年,是前景中的“闯入者”,其他 4 个星系在物理上是相互关联的,距离我们的太阳系约 2.9 亿光年。在韦布望远镜拍摄的关于这个更近星系的图像中,可以看到精致的褶皱纹理,这是恒星形成区域和加热的尘埃,表明该星系正在经历自己的动荡进化篇章。

(2)银河系中的恒星就如同闪闪发光的装饰品,强势挤入了画面的前景。它们的尖状外观是由韦布望远镜的 18 块六边形反射镜边缘附近的光衍射造成的。六边形的反射镜是该望远镜的独特特征之一。

(3) NGC 7319 星系中心发出的这道亮光的亮度相当于太阳的 4000 万倍,这是物质流向一个比太阳大 2400 万倍的超大质量黑洞的结果:一场星系“暴食”事件,在宇宙中的许多其他星系中也会发生。韦布望远镜的光谱仪器也能够探测到这种物质流动所发出的光,并揭示出热、冷气体,以及微观二氧化硅尘埃覆盖层的迹象。

(4)除了宏伟壮观的斯蒂芬五重星系,还有来自更遥远时空的数百个其他星系的图像“意外”落入韦布望远镜的镜头,填满了这张小小的宇宙壁纸,从而证明了该望远镜的非凡灵敏度:包含着数千亿其他恒星和世界的星系就在那里。

(5)在潮汐引力的作用下,包含数十亿颗恒星的发光尾巴从星系中剥离出来,这与地球上的潮汐力没有什么不同(只不过这里的罪魁祸首是一个较小的,在这张照片中没有显示的星系)。这一切发生的时间,大约在这张照片上的光向我们发出之前约 1 亿年。也许这些恒星会自己形成新的矮星系,也可能只是分散到星系间空间。

(6)当星系以每秒近 900 公里的速度相互碰撞时,星系间的气体也在这个复杂的红色和金色弧线区域内碰撞。被冲击加热到数百万度的气体在这里无法直接看到,相反,韦布望远镜捕捉的是碰撞后混乱的发光细节。在数万光年跨度的空间中,这场碰撞触发了新恒星和富含碳氢化合物的尘埃的形成。

(7)主图像是用不同的红外“颜色”拍摄的独立图像合成的,显示出韦布望远镜的独特功能。其中一些是近红外图像(右上),另一些则是中红外图像(右下),后者能够捕捉到由冲击波引起的发光尘埃的强烈活动。这两种图像共同创造了这一纠缠星系演化的视觉交响乐。

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关键词:望远镜超新星韦伯

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