科學家發現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，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過程中誕生的：當一顆質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過程中，質量約為太陽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。科學家估計，如果把一茶匙中子星物質帶到地球，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，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，天文學家一直在費米望遠鏡的數據中尋找來自超新星的伽馬射線信號。雖然過去曾出現過一些有趣的線索，但直到現在才有了確鑿的證據”。巴黎-薩克雷大學研究負責人Fabio Acero表示。

圖注：2017年5月23日，歐洲航天局的蓋亞任務發現了超亮超新星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，天文學家已觀測到約 400 次核心坍縮超新星。根據相關垂死恒星的初始質量不同，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前16年內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。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據，并將這些數據與新生磁星的光和粒子流理論模型進行了對比。

模型中，一個關鍵結構被稱為“磁星風星云”——這是由高速旋轉的新生磁星拋射出的電子與正電子云形成的區域。磁星風星云被認為能夠增強伽馬射線的產生和吸收。其中一種實現這一效應的機制是：當物質粒子與其反物質對應粒子相遇時，會發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，轉化為低能的光學光，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現超新星在最初數月內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得相當不規則。”

圖注： 位于W41超新星遺跡中心的Swift J1834.9-0846所發出的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 億光年范圍內類似的宇宙爆炸。

這將幫助科學家最終揭開這些“超級超新星”背后的真正物理機制。

該研究成果已于 5 月 20 日發表在《天文學與天體物理學》（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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