韋布望遠鏡首次探測到超新星:距地球約30億光年

2022年08月04日15:20
詹姆斯·韋布望遠鏡發現了一顆超新星,天文學家對這一發現感到困惑,因為這台望遠鏡的設計目的並不是尋找垂死的恒星
詹姆斯·韋布望遠鏡發現了一顆超新星,天文學家對這一發現感到困惑,因為這台望遠鏡的設計目的並不是尋找垂死的恒星

  8月4日消息,據報導,美國國家航空航天局(NASA)耗資100億美元打造的詹姆斯·韋布太空望遠鏡(JWST)捕捉到了300多萬年前的一場恒星爆發。2011年時,哈勃太空望遠鏡對同一個星系進行了觀測,但沒有發現這顆超新星的存在。

  這顆超新星所在的星系距離地球約30億光年,剛投入運行不久的韋布望遠鏡捕捉到了它發出的明亮光束。這是該望遠鏡首次觀測到垂死恒星的爆炸。

  超新星是恒星演化接近末期時經曆的劇烈爆炸,是其耗盡燃料時“最後的狂歡”。燃料耗盡會導致壓力下降,在此過程中,恒星物質會膨脹到至少5倍於太陽質量的規模——大約是地球的33.3萬倍——然後發生劇烈的爆炸,釋放出大量碎片和粒子。

  這場恒星爆炸發生在SDSS.J141930.11+5251593星系。韋布望遠鏡拍攝的圖像顯示,有一個天體的光線在5天的時間跨度內變暗,這一線索引出了存在超新星的推測。空間望遠鏡科學研究所(STScI)的邁克·恩格澤爾表示,韋布望遠鏡的設計初衷並不是為了探測新的瞬變現象,因此這一發現尤其令人興奮。

  這顆潛在的超新星是由韋布望遠鏡上的近紅外相機(NIRCam)拍攝到的,該儀器的光譜覆蓋範圍從可見光邊緣(0.6微米)到近紅外光(5微米),可用於探測來自最早恒星和星系的光。NIRCam配備了日冕儀,這種儀器可以讓天文學家拍攝中央明亮物體——比如恒星系統——周圍光線非常微弱的物體,或者恒星爆炸事件,如超新星。

  恩格澤爾指出,韋布望遠鏡當時正好在探測SDSS.J141930.11+5251593星系,拍攝到這顆超新星有很大的運氣成分。這顆垂死的恒星在圖像中是一個小亮點,在2011年哈勃太空望遠鏡拍攝的星系圖片中並不存在。恩格澤爾和他的團隊使用了一種軟件,可以發現圖片中導致明亮斑點的差異。

 

研究團隊使用軟件分析了詹姆斯·韋布望遠鏡的圖片與2011年哈勃望遠鏡拍攝的同一區域的圖片,從中識別出小而明亮的光斑
研究團隊使用軟件分析了詹姆斯·韋布望遠鏡的圖片與2011年哈勃望遠鏡拍攝的同一區域的圖片,從中識別出小而明亮的光斑

  僅僅投入運行一週後,韋布望遠鏡就證明了其巨額的花費是值得的。7月12日,韋布望遠鏡團隊發佈了第一張官方深空圖片;一週後,科學家宣佈它發現了一個135億年前的星系,這是目前人類能看到的宇宙中最古老的星系。該星系被稱為GLASS-z13 (GN-z13),在138億年前發生的大爆炸後僅3億年時形成。之前的記錄保持者是哈勃望遠鏡在2015年發現的GN-z11星系,其歷史可以追溯到宇宙誕生後4億年時。韋布望遠鏡使用近紅外相機(NIRCam)捕捉到了GN-z13星系的模樣。在探測GN-z13星系區域時,韋布望遠鏡還發現了GN-z11星系。

僅僅投入運行一週後,韋布望遠鏡就證明了其巨額的花費是值得的。7月12日,韋布望遠鏡團隊發佈了第一張官方深空圖片;一週後,科學家宣佈它發現了一個135億年前的星系,這是目前人類肉眼看到的宇宙中最古老的星系
僅僅投入運行一週後,韋布望遠鏡就證明了其巨額的花費是值得的。7月12日,韋布望遠鏡團隊發佈了第一張官方深空圖片;一週後,科學家宣佈它發現了一個135億年前的星系,這是目前人類肉眼看到的宇宙中最古老的星系

  據《新科學家》雜誌報導,美國哈佛大學和史密森天體物理中心的科學家們注意到,儘管這些星系都很古老,但其規模都非常小。GN-z13星系的直徑約為1600光年,而GLASS z-11星系直徑為2300光年。相比之下,我們所處的銀河系直徑約為10萬光年。研究人員在預印本網站arXiv上發表的論文中指出,這兩個星系的質量都相當於太陽的10億倍,比銀河系小很多(銀河系質量約為太陽的1.5萬億倍),這是因為它們都是在大爆炸發生後不久形成的。

  該研究小組還指出,這些星系的成長過程中會吞噬其區域內的恒星。“這兩個星系對宇宙黎明時期的星系演化過程提出了新的限制條件,”研究人員在論文中寫道,“結果表明,GNz11的發現不僅僅是運氣好,而是可能存在一群具有極高恒星形成效率的紫外線光源。”

  如何解讀韋布望遠鏡的斯蒂芬五重星系圖片?

  在詹姆斯·韋布望遠鏡公佈的第一批圖片中,最引人注目的當屬斯蒂芬五重星系(Stephan’s Quintet)的圖片。1877年,天文學家愛德華·斯蒂芬(Édouard Stephan)首次在飛馬座發現的這個星系群。這個華麗的星系集合可以說是所謂的“緻密星系群”的最初形態,其中4個星系之間的關聯非常緊密,相互碰撞和引力作用非常顯著,很可能會合併成一個巨大的星系。在所有緻密星系群中,斯蒂芬五重星系是研究最多的,也提供了氣體、恒星和一堆暗物質如何在如此巨大的規模上增長和進化的重要線索。

詹姆斯·韋布望遠鏡的斯蒂芬五重星系圖像蘊含著大量新的信息
詹姆斯·韋布望遠鏡的斯蒂芬五重星系圖像蘊含著大量新的信息

  在韋布望遠鏡的圖像中,右側的4個星系通過引力作用緊密而有力地聯繫在一起,數以十億計的恒星在那裡被撕裂成巨大的飄帶;當氣體受到干擾時,會觸發規模巨大的恒星形成事件。有趣的是,正是這些相互作用減緩了斯蒂芬五重星系向單個巨型星系坍塌的過程,而目前,這種轉變和星繫個體之間似乎取得了平衡。與任何一張優秀的星系圖像一樣,韋布望遠鏡的斯蒂芬五重星系圖像可以解讀出無數的信息,但從更宏大的角度,我們可以從中找出7個亮點,幫助我們理解這一奇妙的宇宙場景。

  (1)與眾不同:這個星系(NGC 7320)距離地球只有4000萬光年,是前景中的“闖入者”,其他4個星繫在物理上是相互關聯的,距離我們的太陽系約2.9億光年。在韋布望遠鏡拍攝的關於這個更近星系的圖像中,可以看到精緻的褶皺紋理,這是恒星形成區域和加熱的塵埃,表明該星系正在經曆自己的動盪進化篇章。

  (2)銀河系中的恒星就如同閃閃發光的裝飾品,強勢擠入了畫面的前景。它們的尖狀外觀是由韋布望遠鏡的18塊六邊形反射鏡邊緣附近的光衍射造成的。六邊形的反射鏡是該望遠鏡的獨特特徵之一。

  (3) NGC 7319星系中心發出的這道亮光的亮度相當於太陽的4000萬倍,這是物質流向一個比太陽大2400萬倍的超大質量黑洞的結果:一場星系“暴食”事件,在宇宙中的許多其他星系中也會發生。韋布望遠鏡的光譜儀器也能夠探測到這種物質流動所發出的光,並揭示出熱、冷氣體,以及微觀二氧化矽塵埃覆蓋層的跡象。

  (4)除了宏偉壯觀的斯蒂芬五重星系,還有來自更遙遠時空的數百個其他星系的圖像“意外”落入韋布望遠鏡的鏡頭,填滿了這張小小的宇宙壁紙,從而證明了該望遠鏡的非凡靈敏度:包含著數千億其他恒星和世界的星系就在那裡。

  (5)在潮汐引力的作用下,包含數十億顆恒星的發光尾巴從星系中剝離出來,這與地球上的潮汐力沒有什麼不同(只不過這裏的罪魁禍首是一個較小的,在這張照片中沒有顯示的星系)。這一切發生的時間,大約在這張照片上的光向我們發出之前約1億年。也許這些恒星會自己形成新的矮星系,也可能只是分散到星系間空間。

  (6)當星系以每秒近900公里的速度相互碰撞時,星系間的氣體也在這個複雜的紅色和金色弧線區域內碰撞。被衝擊加熱到數百萬度的氣體在這裏無法直接看到,相反,韋布望遠鏡捕捉的是碰撞後混亂的發光細節。在數萬光年跨度的空間中,這場碰撞觸發了新恒星和富含碳氫化合物的塵埃的形成。

  (7)主圖像是用不同的紅外“顏色”拍攝的獨立圖像合成的,顯示出韋布望遠鏡的獨特功能。其中一些是近紅外圖像(右上),另一些則是中紅外圖像(右下),後者能夠捕捉到由衝擊波引起的發光塵埃的強烈活動。這兩種圖像共同創造了這一糾纏星系演化的視覺交響樂。

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