超新星发现机器“詹姆斯韦伯太空望远镜”发现记录上最遥远的恒星爆炸

By Robert Lea

published 11 June 2024

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    强大的太空望远镜在一块米粒大小的天空中发现了80个早期和遥远的恒星爆炸。

高级深部银河系外勘查深场用美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的观测结果显示了新发现的超新星爆炸的位置。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI, JADES Collaboration)

    当到狩猎早期宇宙中大质量恒星的爆炸性死亡时詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）是相当的宇宙侦探。这位天体福尔摩斯已经在一片像米粒一样宽的天空中发现了80个新的早期超新星的证据。

    这不仅是比以前在这样一个早期宇宙历史中发现超新星的10倍，而且样本还包括从来看到的最早和最远的超新星。当138亿岁老的宇宙只是18 亿岁老时它就爆炸了。

    来自詹姆斯韦伯太空望远镜高级深部银河系外勘查（JADES）计划的数据帮助一组科学家发现这种前所未有的超新星，其中进一步包括天文学家叫“标准蜡烛”的Ia型爆炸，能用来测量宇宙距离。

    先于詹姆斯韦伯太空望远镜于2022年夏天开始运行，只有少数超新星已经被发现追溯回到相当于目前年龄的25%左右当宇宙只有33亿岁老时。然而，高级深部银河系外勘查样本包含许多甚至进一步回到过去中爆炸的超新星。事实上，有些是当宇宙不到20亿岁时爆发的。

     团队成员图森市斯图尔德天文台的亚利桑那大学的三年级研究生克里斯塔德考赛在一份声明中说，“詹姆斯韦伯太空望远镜是一台超新星发现机器 ，探测的绝对数量加上到这些超新星的大距离是来自我们勘查的两个最令人兴奋的结果”。

    詹姆斯韦伯太空望远镜的无与伦比的红外灵敏度意味着它几乎在它看进的宇宙中到处发现超新星。

超新星侦探

    当光波长旅行宇宙时，空间织造的膨胀拉伸出去这些波长。这造成光按分类进一步移动下到电磁波谱，从更蓝的一端一寸一寸朝向更红的端。这种现象被称为“红移”。

    光一直在穿过太空旅行的时间越长，它经历的红移的程度就越极端。这样，来自位于大约120亿光年外的天体的光如这些超新星已经体验了极端的波长延长或“宇宙学红移”。

    这将这种超新星光向下移动到电磁波谱的红外区域，一个詹姆斯韦伯太空望远镜是熟练观望进的宇宙区域。

电磁波谱显示波长与各种类型光之间的关系。红移看到光从可见光谱和上下方向移动到红外区域。 (Image credit: NASA's Imagine the Universe)

    哈勃太空望远镜此前已经允许天文学家来观望如此遥远它们存在了当宇宙处于它的“年轻成年”阶段时的超新星。然而，用高级深部银河系外勘查和詹姆斯韦伯太空望远镜，天文学家能观测宇宙处于它的“十几岁”或甚至“十几岁前”时的超新星。

    在未来，科学家们希望看回到宇宙的“蹒跚学步”阶段或甚至回到它的宇宙婴儿，理想的碰到第一代大质量恒星的死亡。

    为获得这种超新星观测的新队列，高级深部银河系外勘查团队以年的间隔拍摄了同一片天空的多张图像。然后，他们比较了图像。因为超新星是“瞬变的”，这意味着它们会随着时间变亮和变暗，观测图像中的变化允许了科学家来区分哪些光点真的是爆炸的恒星和哪些可能是其他现象。

    美国宇航局爱因斯坦研究员马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所（STScI）的高级深部银河系外勘查团队成员贾斯汀·皮雷尔（Justin Pierel）在声明中说，“这真的是我们的关于瞬态科学的高红移宇宙的第一个样本看起来像什么一样的，我们正试图来识别是否遥远的超新星与我们在附近宇宙中看到的超新星根本的不同还是非常相似”。

一幅显示一颗白矮星随它吃食一颗伴星开始在Ia型超新星中爆发的描画。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

    .由 J高级深部银河系外勘查团队看到的所有超新星并不都是“核坍塌”超新星，当大质量恒星耗尽核的核聚变所需的燃料供应并在它们自身引力下坍塌时触发诞生一个黑洞或一个中子星。

    如前所述，有些是Ia型超新星被当叫“白矮星”的恒星尸体从一个伴星或捐赠者恒星自相食的吃食被剥离的物质时触发。这种物质堆积在白矮星的表面上直到它引发一个失控的完全湮灭白矮星的热核爆炸为止。

    这些事件的光输出是均匀的有相同的内在亮度，似乎与距离无关。这意味着它们能被用作来测量距离的宇宙标尺，也可以用作测量空间的织造正在膨胀速率的标记。然而，如果Ia型超新星的内在亮度在高红移变化，它们在测量大宇宙距离上的用途将会被限制。

    该团队的大约110亿年前爆发的Ia型的观测表明，尽管它的光经历宇宙学红移但它的亮度没有过变化。

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    “十几岁前”的宇宙是一个比我们今天看到的截然不同的地方，有远更极端的环境。此外，因为当时宇宙主要是氢和氦，天文学家期望来看到由恒星死亡引发的比当前一代“富金属”的恒星（如太阳）有远更少重化学元素或“金属”的古代超新星。

    这样，将这些古老的超新星与在当地宇宙中爆炸的大质量恒星比较，可以帮助科学家更好理解恒星如何在它们形成期间被早期恒星锻造的金属增富并随它们死亡扩散到宇宙中。

    高级深部银河系外勘查超新星光谱分析负责人马修希伯特说，“我们基本上在瞬态宇宙上打开一扇新窗口，从历史上看每当我们已经做了那个时，我们已经发现极端令人兴奋的东西——我们没有预料到的东西”。

    该团队的研究结果于周一（6月10日）发表在威斯康星州麦迪逊举行的美国天文学会第244次会议上。