在這篇來自《環球科學》2025年3月新刊的文章中，我們將跟隨克拉拉·莫斯科維茨的講述，看看科學家迄今拍攝的清晰影像揭示了什麼新的秘密。
在韋布空間望遠鏡之前，哈勃空間望遠鏡對仙后座A的觀測可以說是一場革命性的飛躍。在2006年拍攝的照片中，哈勃提供的解析度相比地面觀測提高了10倍。在這一過程中，它能分辨出超新星爆發時噴出的物質團塊，這些團塊的速度達到了驚人的8000~10000千米/秒。這種爆發極其猛烈，恆星外層就像裂成千萬塊碎片一樣，碎裂成了一團團的氣體。而此前科學家從未意識到超新星爆發會產生這樣的團塊，直到“大自然真實地展示了恆星生命末期發生的情況”，費森說。（圖片來源：NASA, ESA and Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgment: Robert A. Fesen/Dartmouth College and James Long/ESA/Hubble）
恆星自誕生起就開始與引力做鬥爭。燃燒的恆星不斷釋放充沛的能量，抵抗引力向內的壓力。但燃料一旦耗盡，引力就會獲勝並促使恆星內爆。恆星的大部分質量要麼變成中子星（城市大小的超緻密天體），要麼變成黑洞。其餘的部分則向外爆發，像子彈一樣飛入太空。
仙后座A是已知離地球最近的年輕的超新星遺蹟，這次爆發產生的光大約在350年前抵達地球。韋布空間望遠鏡的最新觀測資料，與哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）和斯皮策空間望遠鏡（Spitzer Space Telescope）的早期觀測結果相結合，共同呈現了仙后座A前所未有的清晰影像。圖片來源:NASA/CXC/SAO(x-ray); NASA/ESA/STScI(optical); NASA/ESA/CSA/STScI/D.Milisavljevic et al., NASA/JPL/Caltech(infrared); NASA/CXC/SAO/J. Schmidt and K. Arcand (image processing）
最近，天文學家透過韋布空間望遠鏡（JWST）觀測了年輕的超新星遺蹟仙后座A，拍到了這次爆發事件的新影像。大約350年前，也就是艾薩克·牛頓所處的年代，這次爆發產生的光抵達了地球。“這個特殊天體非常重要，因為它距離我們相對較近，而且很年輕，所以你看到的影像其實記錄了恆星爆發的瞬間，”美國達特茅斯學院的天文學家羅伯特·A.費森（Robert A. Fesen）說。
幾十年來，天文學家一直在研究這一臨近的奇觀，但JWST提供了比過去任何天文臺都更近的觀測視角。“JWST拍攝的影像令人驚歎，”費森說。他曾領導團隊首次用哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope）觀測了仙后座A。哈勃主要在可見光波段觀測，也就是人眼能看到的波長範圍，JWST則能捕捉波長更長的紅外光，而且它的鏡面更大，可以拍攝解析度更高的影像。
JWST最新拍攝的照片將幫助科學家解答一些有關超新星爆發的最緊迫的問題，比如各種型別的恆星會以何種方式爆發，以及這些爆發具體是如何發生的。“但在瞭解這種爆發如何發生的過程中，會涉及很多複雜而美麗的物理學知識，”JWST影像背後研究團隊的負責人、美國普渡大學的天文學家丹尼·米利薩夫耶維奇（Danny Milisavljevic）表示。
恆星的聚變最初會將氫轉換成氦。在氫耗盡後，氦又會聚變成碳，碳之後再聚變成氖，依此類推，直至最終生成鐵，因為鐵釋放的能量不足以維持聚變反應。此時，恆星在引力作用下開始坍縮，隨著物質不斷坍縮，原子中大部分質子和電子被擠壓在一起形成中子。最終，中子再也無法進一步坍縮，便形成了中子星，其中承受了極端壓力的粒子會引發反彈激波。（只有質量非常大的恆星才會以超新星的形式結束生命，質量較低的天體，比如太陽，只會逐漸變成白矮星）。
天文學家仍然無法完全理解超新星爆發時釋放的巨大能量。“我們曾認為，中子星形成時產生的反彈激波可能導致恆星爆發，”米利薩夫耶維奇說，“但數十年來用世界上最快的計算機進行的模擬表明，激波不足以克服大量外層物質向內坍縮的趨勢。”目前，超新星爆發的核心驅動力仍然是個謎。研究人員懷疑，這一問題的答案與中微子有關。中微子是一種幾乎沒有質量的粒子，能暢通無阻地穿過物質。也許在恆星核心的高溫和高密度條件下，一些中微子的能量增強了反彈激波。但想要驗證這一設想，還需要更多的觀測。
仙 後 座 A 的 觀 測 揭 示 了 前 所 未有 的 細 節。JWST 的 中 紅 外 儀 器（MIRI）能捕捉不同波段的紅外光，這些波段在這張照片中被轉換成相應的可見光顏色。影像頂部和左側的橙色和紅色流顯示了爆發恆星的物質撞擊周圍氣體和塵埃留下的斑點。在這層外殼內的亮粉色絲狀物代表爆發時釋放的物質。偏左的深紅色網狀結構代表爆發後的原始物質結構，它可能隱藏著爆發前恆星物質分佈的線索。
若放大這幅JWST影像，天文學家發現了一個驚喜——一個綠色的氣泡，他們稱之為“綠色怪物”，以美國波士頓芬威公園裡一面綠色的牆壁命名。
“這個氣泡由恆星在爆發前丟擲的氣體層組成，”米利薩夫耶維奇解釋說，“它看起來很奇怪，環狀和絲狀物質的分佈也很奇異。”這些謎團中隱藏著恆星在爆發前如何釋放質量的資訊。“綠色怪物”中還出現了一些小洞，它們就像子彈孔一樣，幾乎是完美的圓形，這似乎為費森和研究團隊用哈勃空間望遠鏡發現的噴射物團塊提供了證據。
天文學家認為，快速移動的超新星物質團塊可能像彈片一樣擊穿了周圍的氣體層，從而形成了這些洞。而這些洞的大小揭示了團塊的巨大體積——大約 500個天文單位（地球與太陽之間的距離）。“隨著團塊在太空中航行時不斷地膨脹，它們已經變得比太陽系還要大，”費森說。
圖片來源：NASA, ESA, CSA, Danny Milisavljevic/Purdue University,Tea Temim/Princeton University, Ilse De Looze/University of Ghent; Joseph DePasquale/STScI (image processing)
JWST的觀測揭示了有關仙后座A的許多細節，研究人員在其中發現，有一層氣體在爆發過程中從恆星逸出。影像展示了這些氣體在與恆星外層物質相互作用前，以及在被恆星爆發時噴出的激波反射加熱之前的情況。這顆超新星的原始噴射物呈現出網狀結構，讓研究人員得以窺探恆星爆發前的情況。“JWST基本上提供了這種物質分佈的結構圖，”美國普林斯頓大學的天文學家提亞·特米姆（Tea Temim）說，“為天文學家揭示了超新星爆發前物質的分佈情況。而我們過去從未見過這樣的景象。”
這次觀測還揭示了仙后座A一個出人意料的特徵——恆星爆發前似乎釋放了一層氣體，天文學家將其命名為“綠色怪物”。這是一個令人興奮的驚喜。科學家尤為好奇，當超新星碎片飛入“綠色怪物”時會發生什麼。“這很重要，”特米姆說，“因為當我們觀測河外星系的超新星時，周圍物質會對它們的光線造成極大的影響。”
JWST另一臺儀器——近紅外相機（NIRCam），能用比MIRI波長更短的光觀測仙后座A。“NIRCam的優勢在於解析度，它拍攝的影像放大後效果驚人，”米利薩夫耶維奇說，“我未來的研究規劃就是從這種尺度上理解這顆超新星。”他希望利用這些資料理解爆發的激波如何塑造它遇到的氣體，如何影響超新星物質的密度，從而獲得關於這場劇烈爆發如何發生的線索。圖片來源：NASA/ESA JWST, Danny Milisavljevic/PurdueUniversity, Tea Temim/Princeton University, Ilse DeLooze/University of Ghent and HST, R. Fesen/Dartmouth College; J. Schmidt (image processing)
破譯超新星的細節甚至可以幫助我們瞭解地球及生命的起源。恆星會產生生命所需的、比氫和氦更重的元素。它們生命末期的爆發將這些元素噴入太空，為星系提供形成新恆星和行星的原材料。“作為宇宙公民，我們必須瞭解這一基本過程，正是它使我們出現在宇宙之中，”米利薩夫耶維奇說。
天文學家將繼續研究仙后座A，儘管目前的成功已讓他們湧起無限的渴望，希望將JWST的目光轉向銀河系中其他約400處已知的超新星遺蹟。藉助更多的觀測樣本，研究人員將能探索遺蹟外觀和演化方式的差異，進而揭示這種差異與爆發前恆星特性之間的聯絡。
本文來自《環球科學》2025年3月刊：《超新星奇景》
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