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NASA的费米望远镜探测到了来自一颗罕见超亮超新星的伽马射线，为天文学最大的谜团之一提供了新线索。图片来源：Shutterstock

美国国家航空航天局（NASA）的费米望远镜或许终于发现了宇宙中最亮超新星背后的磁能来源。

一个国际天文学家团队通过分析美国国家航空航天局费米伽马射线太空望远镜的观测数据，发现了似乎是首次令人信服的伽马射线探测结果，这些伽马射线来自一种被称为超亮超新星的罕见且异常明亮的恒星爆炸。

他们的研究结果表明，这次爆炸是由一颗新形成的磁星驱动的——磁星是一种在大质量恒星坍缩时形成的极度磁化的中子星。这一发现为了解宇宙中一些能量最剧烈的爆炸提供了新的视角。

美国国家航空航天局的费米任务是一组监测宇宙各处变化的天文台的一部分，帮助科学家更好地理解宇宙是如何演化的。

近20年来，天文学家一直在费米数据中搜索来自数千颗超新星的伽马射线信号，尽管已报告了一些有趣的线索，但此前一直没有明确的结果，法国国家科学研究中心（CNRS）和巴黎萨克雷大学的研究负责人法比奥阿塞罗表示。

研究结果发表在《天文学与天体物理学》期刊上。

NASA的费米伽马射线太空望远镜观测到一颗高能超新星

大质量恒星如何终结它们的生命

核心坍缩超新星发生在一颗比太阳大许多倍的大质量恒星耗尽维持自身所需的燃料时。没有这个能量来源，恒星的核心会在引力作用下坍缩并引发强烈爆炸。

坍缩可能会留下一颗大小与城市相当的中子星，或者一个更为致密的黑洞。与此同时，一股强大的冲击波将恒星的外层炸向太空，形成一团迅速膨胀的炽热电离气体云。

在过去二十年里，天文学家已经发现了近400个这类爆炸中异常明亮的例子。它们被称为超亮超新星，在可见光下的亮度可以达到典型超新星的十倍以上。

近期，合肥安徽大学的李尚（LiShang）领导的一项研究表明，费米大面积望远镜可能在其中一次异常爆炸发生数年后探测到了伽马射线。

那个被称为SN2017egm的事件发生在NGC3191星系中，该星系位于大熊座，距离地球约4.4亿光年。尽管距离遥远，它仍然是迄今为止观测到的最近的超亮超新星之一。

这张合成图像展示了SN2017egm的两种视图：可见光视图（插图）和伽马射线视图（背景）。可见光图像显示了该超新星——场景中最亮的天体——及其宿主星系（拍摄于某一时期）。背景图展示了超新星位置周围的广阔天空区域。颜色越亮，表明伽马射线与这次爆炸相关的统计可能性越大。该图包含了费米大面积望远镜在该超新星被发现后的43至155天内探测到的伽马射线。图片来源：背景，NASADOE费米大面积望远镜合作团队及Acero等人（2026年）；插图，NOTALFSOCBose等人（2020年）。

一次罕见的伽马射线探测

我们对费米任务期间观测到的六颗最近的超亮超新星进行了伽马射线搜索，曾就职于意大利的里雅斯特大学、现担任西班牙巴塞罗那空间科学研究所研究员的吉列姆马蒂德韦萨表示。只有其中一颗超新星显示出伽马射线存在的证据，这证实了早前的线索——部分超新星在伽马射线波段的亮度可与可见光波段相当。这为研究这些迷人的天体事件开辟了新窗口。

科学家们长期以来一直在争论是什么为超亮超新星提供了巨大能量。一种主要的解释涉及磁星的诞生——磁星是自然界中已知具有最强磁场的中子星。

这些磁场的强度可达普通中子星磁场的1000倍，大约是冰箱磁铁强度的10万亿倍。

超亮超新星SN2017egm由欧洲空间局的盖亚任务发现。它在一个名为NGC3191的大型棒旋星系中爆发，左侧图像展示了该星系在超新星爆发前的状态。右侧图像展示了该超新星亮度超过整个星系的样子。图片来源：左侧，SDSS和PS1；右侧，NOTALFSOCBose等人。

为了开展研究，研究人员对某颗超新星的光学和伽马射线观测数据进行了详细分析，并将这些数据与旨在解释该爆炸行为的若干理论模型进行了对比。

由爱沙尼亚塔尔图大学的因德里克武尔姆和纽约市哥伦比亚大学的布莱恩梅茨格两位合著者开发的一个模型，模拟了新生磁星的粒子和辐射如何与超新星喷出的膨胀物质相互作用。

蟹状星云形成于一次历史上被观测到的超新星爆发。其核心处有一颗孤立的中子星，是原恒星被挤压后的核心。它每秒旋转约30次，每旋转一周就像灯塔一样向地球扫过一束辐射，因此这颗中子星被归类为脉冲星。这种快速旋转为X射线喷流（中心附近细长的蓝白色特征）和高速流出的电子及其他粒子提供能量。这些粒子聚集在一个巨大的云状结构中，称为脉冲星风星云，这种星云也会在磁星（脉冲星的超强磁化近亲）周围形成。这种辐射会逐渐减慢中子星的旋转速度。这些图像结合了来自NASA钱德拉X射线天文台的X射线数据（蓝白色）和来自NASA詹姆斯韦伯太空望远镜的红外数据。图片来源：NASACXCSAO；红外数据：WebbNASACXCSAOJ.Major。

磁星如何为超新星提供超强能量

科学家们认为新生磁星的旋转速度极快，每秒能完成数百次自转。这种快速旋转会产生强大的电子和正电子流，而正电子是电子的反物质对应物。

这些粒子会形成一个被称为磁星风星云的巨大区域，其中充满了高能粒子。

在这种环境下，大量相互作用可以产生和吸收伽马射线。例如，电子和正电子可以相互湮灭并产生伽马射线光子。伽马射线也可以发生碰撞并产生新的粒子对。

随着这些相互作用的持续，伽马射线被困在膨胀的超新星残骸中。它们的大部分能量没有立即逃逸，而是转化为低能可见光。这个过程有助于解释为什么超亮超新星会如此明亮地发光。

Acero表示：坍缩发生约三个月后，随着超新星碎片膨胀冷却，伽马射线开始渗出。这个磁星模型能最好地再现超新星最初几个月的亮度及其伽马射线的到达时间，但在后期可见光不规则消退时，我们发现模型仍有改进空间。

可能涉及额外的力量

研究人员认为，在超新星逐渐变暗的过程中，其他过程可能也对其行为产生了影响。

可能的因素包括物质落回磁星，以及膨胀的冲击波与恒星在最终坍缩前几个世纪内排出的物质之间的相互作用。

科学家们期望，将切伦科夫望远镜阵列天文台等设施的观测结果与美国国家航空航天局天基望远镜的数据相结合，将显著增进对这些异常爆炸现象的理解。

本文讨论的磁星中心引擎机制建立在过去20年磁星领域大量观测和理论进展的基础上，马里兰州格林贝尔特美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心费米任务的副项目科学家朱迪拉库辛表示。观测超新星发出的伽马射线将为我们探索其内部运作提供一种新方法。

相关知识

超新星是大质量恒星演化至末期发生的剧烈爆炸现象。它爆发时亮度瞬间剧增，释放的能量相当于恒星一生辐射能量的总和，还会合成金、铀等重元素并抛射到宇宙中，是宇宙里重元素的主要来源之一，对星系演化与生命起源有着关键意义。

BY: Francis Reddy, NASA’s Goddard Space Flight Center

FY: AI

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