大約四十年前，地球居民有幸目睹了罕見的宇宙景象：一顆在我們天空中爆炸的恆星，肉眼可見。 這顆恆星被稱為 1987A 超新星 (SN 1987A)，是過去四個世紀以來最接近地球的此類事件。 從那時起，天文學家一直在尋找他們已知必定潛伏在超新星中心附近的恆星遺蹟，它被包裹在不斷膨脹的放射性灰燼和白熾氣體星雲中。 現在，藉助詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的強大功能，一個科學家團隊終於找到了這個難以捉摸的目標，證實了人們的懷疑，即這次爆炸產生了一顆極其緻密的中子星，而不是吞噬星光 的黑洞。
這項發現於週四發表在《科學》雜誌上，它利用了 JWST 前所未有的紅外功能，穿透了 SN 1987A 周圍的迷霧，使其在字面意義上的新光芒中被看到。 由瑞典斯德哥爾摩大學的克拉斯·弗朗松領導的天文學家，窺視了恆星消亡後留下的碎片的核心，發現了電離氬和硫的跡象——也就是說，證明某些元素受到了某種外力的衝擊，以至於它們的電子被剝離了。 除非這些能量化的元素是由附近中子星發出的強烈的紫外線和 X 射線轟擊形成的，否則它們不應該存在於如此靠近 SN 1987A 的“零地點”的位置。 吞噬物質並噴射出輻射爆發的黑洞也可以解釋這一結果，但三十多年的觀測未能揭示 SN 1987A 記憶體在這種東西的其他跡象，這使得 JWST 的結果幾乎成為中子星存在的確鑿證據。
“這非常令人興奮，”威爾士卡迪夫大學的天體物理學家松浦美佳子說，她沒有參與這項研究，並且曾在 2019 年提出，將在這次超新星中發現一顆中子星。 “這可能是超新星 1987A 中存在中子星的最有力證據。”
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SN 1987A 於 1987 年 2 月 23 日在大麥哲倫星雲中爆炸，大麥哲倫星雲是銀河系的矮衛星星系，距離地球約 16 萬光年。 自 1604 年開普勒超新星以來，再也沒有如此靠近我們星球的超新星被觀測到，當時一顆恆星在我們星系內約 2 萬光年的距離處爆炸。 雖然 SN 1987A 最初是透過其在天空中的突然變亮而被發現的，但超新星的第一個跡象被證明來自中微子爆發，該爆發在閃光出現前幾個小時席捲了地球。 在散佈於全球的中微子天文臺中記錄到的這次爆發，是恆星散落的殘骸中某處形成中子星的明顯證據。 隨著進一步的分析表明 SN 1987A 的前身可能是一顆質量約為太陽 18 倍的藍色超巨星——質量很大，但仍然太輕而無法輕易形成黑洞，中子星的證據越來越多。
超新星的發生方式主要有兩種：一種是當一顆恆星從小伴星那裡虹吸走過多的物質並爆炸時——這會導致 Ia 型超新星，例如開普勒超新星。 另一種超新星——II 型超新星，例如 SN 1987A——發生在非常巨大的恆星身上，這種恆星原本依靠從其深處爆發出的光的外向壓力來阻止自身在自身重量下坍縮，但突然耗盡了其核心的燃料。 由於沒有多餘的星光來支撐它，恆星的外層向內坍縮到核心，然後反彈向外爆炸，衝擊波在周圍物質中蔓延。 這個過程可以迅速釋放出比整個星系恆星總和還要多的光，並將太陽質量的核心壓碎成城市大小的超緻密球體——中子星。 在初始恆星特別重的情況下——20 個太陽質量或更多——較重的結果中子星然後坍縮成黑洞。
英格蘭中央蘭開夏大學的喬安妮·普萊傑說，擁有一顆如此相對靠近的中子星在科學上非常令人著迷，她沒有參與這項研究。 “中子星上的物理學是不同的，”她說，並指出這些天體的極端引力場擠壓它們的內部，創造出奇異的物質狀態，並顯著地扭曲周圍的時空結構。 “如果我們能探測到中子星，特別是我們可以很好地研究附近的 中子星，那麼我們就可以開始瞭解我們在實驗室中無法重現的區域的物理定律。”
雖然天文學家已經懷疑 SN 1987A 沒有留下黑洞，但他們想確定。 弗朗松和他的同事在 2022 年 7 月，即 JWST 首次開始科學執行時，在超新星中心附近明顯地發現了電離氬和硫的獨特跡象。 弗朗松說：“[SN 1987A] 是最早觀測到的天體之一，”JWST 對超新星的餘波進行了大約 10 小時的研究。
“唯一能夠產生這些[跡象]的能量源是中子星，”該研究的合著者、愛爾蘭梅努斯大學的帕特里克·卡瓦納夫說。 如果黑洞要做到同樣的事情，它就需要貪婪地吞噬來自某個來源（例如另一顆恆星）的物質——但沒有證據表明存在這種情況。 卡瓦納夫說：“我們確信我們評估了所有不同的可能性。” “我們排除了除中子星存在之外的所有可能性。”
仔細分析電離物質發出的光表明，中子星並不完全位於 SN 1987A 的中心； 相反，它略微偏移，因為它受到了來自超新星的“踢”。 當恆星爆炸時，任何微小的失衡都會將更多的噴射物質轉移到一邊或另一邊，導致中子星像從氣球中擠出的雞蛋一樣向相反的方向後退。 觀測表明，中子星正在稍微向我們移動，已經從其災難性誕生地移動了約 5000 億公里。 卡瓦納夫說：“踢的速度約為每秒 400 公里”——對於我們地球上的生命來說是難以想象的快，但對於浩瀚的光年來說仍然是極其緩慢的。
目前尚不清楚 SN 1987A 的殘骸是否僅僅是一顆中子星。 相反，它可能是一顆脈衝星——一顆旋轉速度極快的中子星，它從兩極發射出能量流，像宇宙燈塔的光束一樣掃過天空。 “如果存在脈衝星，光束也沒有指向我們，所以我們無法探測到它，”哈佛-史密森天體物理學中心 | 哈佛和史密森尼學會的伊薇特·森德斯說，她沒有參與這項研究。 但可能還有另一種方法可以找出答案。 在標準的中子星情景中，來自恆星遺蹟的巨大熱量非常強烈，以至於形成了電離矽的信標，該信標散射到更遠的地方，進入不斷膨脹的雲中。 在脈衝星模型中——發射不是由熱量主導，而是由電子和其他粒子的風主導，這些粒子衝擊最內部的碎片——電離矽應該更加稀少。 因此，如果在 SN 1987A 周圍可以發現並繪製出矽，那麼“我們可以區分兩者”，卡瓦納夫說。 截至目前尚未公佈的後續 JWST 觀測，是該團隊在 2023 年秋季和本週早些時候進行的，其中可能包含該答案。
這些觀測為 II 型超新星爆發後的最初時刻提供了新的見解。 弗朗松說：“我們以前從未見過中子星的形成。” 現在我們已經看到了，藉助 JWST 和其他望遠鏡對這個宇宙中年輕的天體進行進一步研究，應該可以讓天文學家更多地瞭解這些令人費解的恆星事件。 森德斯說：“在我們自己的星系中看到超新星之前，這將是我們研究得最好的超新星。”