美國太空總署費米望遠鏡揭示了巨型超新星背後的能量來源

費米任務是美國太空總署天文台網路的一部分，旨在追蹤整個宇宙不斷變化的事件，並幫助科學家更好地了解宇宙現像如何運作。

法國國家科學研究中心 (CNRS) 和巴黎薩克雷大學的研究負責人法比奧·阿塞羅 (Fabio Acero) 表示：「近 20 年來，天文學家一直在費米數據中尋找來自數千顆超新星的伽馬射線信號，雖然已經報道了一些有趣的線索，但還沒有一個是明確的。」

結果發表在期刊上 天文學和天文物理學。

罕見的超新星釋放出強大的伽馬射線

當一顆大質量恆星耗盡支撐其核心所需的燃料時，就會發生核心塌陷超新星。如果沒有這種能源，核心就會在重力作用下塌陷並導致劇烈爆炸。根據具體情況，坍縮可能會留下中子星或黑洞。恆星的其餘部分則作為膨脹的極熱氣體雲向外噴射到太空中。

在過去的二十年裡，天文學家已經發現了近 400 個異常強大的例子，稱為超發光超新星。這些罕見的爆炸在可見光下發出的光芒至少比普通超新星亮 10 倍。

2024年，由中國合肥安徽大學李尚領導的研究人員提出，費米大面積望遠鏡可能在爆炸數年後探測到了其中一個事件中的伽馬射線。

這個名為 SN 2017egm 的天體噴發到距離我們約 4.4 億光年的大熊座 NGC 3191 星系中。即使距離那麼遠，它仍然是迄今為止從地球觀測到的最近、最明亮的超新星之一。

義大利的里雅斯特大學前研究員、現西班牙巴塞隆納空間科學研究所研究員吉列姆·馬蒂·德維薩 (Guillem Martí Devesa) 表示：“我們在費米任務的前 16 年中觀察到的六顆距離最近的超光度超新星中尋找伽馬射線。” “只有 SN 2017egm 2017egm顯示了伽馬射線的證據，證實了先前的暗示，即一些超新星在伽馬射線中可以像在可見光中一樣發光。

磁星可能是隱藏的引擎

長期以來，科學家一直在爭論是什麼讓超亮超新星具有非凡的亮度。主要的解釋之一涉及磁星，磁星是宇宙中已知磁場最強的中子星。它們的磁場比普通中子星強 1000 倍，比冰箱磁鐵強近 10 兆倍。

為了進一步研究，研究小組更仔細地檢查了 SN 2017egm 的可見光和伽馬射線訊號，並將觀察結果與不同的理論模型進行了比較。

該模型由愛沙尼亞塔爾圖大學的 Indrek Vorm 和紐約哥倫比亞大學的 Brian Metzger 共同創建，追蹤了新生磁星的輻射和粒子如何穿過膨脹的超新星碎片。

研究人員認為，新形成的磁星每秒鐘可以旋轉數百次。這種令人難以置信的速度會產生強大的電子和正電子流，即電子的反物質版本。這些粒子一起形成了一個巨大的高能量物質雲，稱為磁風星雲。

在這個星雲內，粒子相互作用可以透過多種方式產生伽瑪射線。電子和正電子可以碰撞並變成伽馬射線光子，而伽馬射線本身可以碰撞並產生新的粒子。隨著這些相互作用的繼續，大部分伽馬射線能量被困在超新星碎片中，並轉化為能量較低的可見光，使爆炸變得異常明亮。

幾個月後伽馬射線洩漏

「塌陷後大約三個月，隨著超新星碎片的膨脹和冷卻，伽馬射線可能開始洩漏，」阿塞羅說。 「這個磁星模型最好地再現了最初幾個月的超新星亮度和伽馬射線到達時間，但當不規則的可見光完全消失時，我們看到了後期改進的空間。”

研究人員認為，在超新星亮度長期下降的過程中，其他過程可能影響了它。這將包括物質落向磁星，以及膨脹的衝擊波與恆星爆炸前幾個世紀排出的物質之間的碰撞。

團隊也探討了未來的天文台是否能夠探測到類似的事件。他們發現即將建成的切倫科夫望遠鏡陣列天文台應該能夠在大約 50 小時的觀測時間內從最遠約 5 億光年的距離探測到像 SN 2017egm 這樣的超新星。

科學家表示，未來地面天文台和美國太空總署太空望遠鏡之間的合作將有助於更多地揭示這些劇烈的恆星爆炸以及隱藏在其中的極端物體。

「本文討論的磁星中央驅動機制建立在過去 20 年磁星的許多觀測和理論進展的基礎上，」馬裡蘭州格林貝爾特 NASA 戈達德太空飛行中心費米任務副計畫科學家朱迪·拉科辛 (Judy Rakosin) 說。 “觀測超新星發出的伽馬射線將為我們提供一種探索其內部運作的新方法。”