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对蟹状星云的新研究希望解开其起源和成分

2005年12月2日NASA发布由哈伯太空望远镜拍摄的蟹状星云图像。（NASA via Getty Images）

美国天文学家使用NASA的韦伯（James Webb，JWST）太空望远镜，深入解析大约1000年前古人发现的蟹状星云的组成物质，希望透过收集它的成分和数据，了解蟹状星云的起源和成分。

公元1054年，中国的天文学家观测到蟹状星云在距离地球6,500光年金牛座附近出现超新星（恒星）爆炸，其爆炸产生的亮度足以让人们在白天观测到。

蟹状星云是第一个被确定为超新星爆炸形成的天体，它以蟹状外表而闻名。自被发现以来，它一直是人们研究最多的天体之一。今天，人们观测到的蟹状星云已经光芒不再，而是微弱超新星残骸。

天文学家发现，超新星爆炸时可以将其大部分甚至几乎所有物质，以超高的速度向外抛散形成星云。蟹状星云是一个由气体、尘埃和高速外流风（星际介质的流动）组成，其中心是一颗快速旋转且高度磁化的中子星（脉冲星），这个中子星则不断向周围喷射出高能粒子风，形成明亮的脉冲星风星云（PWN）。

中子星是一颗直径10公里左右、且密度极高的中子球。它被认为是由超新星爆炸期间在重力作用下塌陷的恒星核心产生，质量相当于一颗普通恒星（通常是太阳质量的1.5倍左右）。而会定期发射辐射脉冲的中子星又称为“脉冲星”。

过去，天文学家是根据喷射物的数量和速度，来推算蟹状星云爆炸的总动能，不过其爆炸的总能量相对较低（不到正常超新星的十分之一）。因此，过去人们认为蟹状星云前身恒星是由于“电子捕获型”（ECSN）超新星爆发所致，而非典型的“铁核心塌缩”超新星爆炸。

一般认为，“电子捕获型”超新星爆炸是一种罕见的爆炸，其超新星核心主要由氧、氖和镁组成，不是典型的铁核心组成。这些氧、氖和镁原子在核心变得过于致密后，开始吸收周围电子使核心压力快速减少，最终引发核心快速崩塌并产生出恒星爆炸。

不过，电子捕获超新星预测结果与过往蟹状星云观测数据，存在一些不相符的地方。因为从理论上，预测其超新星核心中的铁镍（Ni/Fe）丰富度，应该比太阳的核心高出许多。

这次，美国普林斯顿大学（Princeton University）天文研究团队，为了降低观测蟹状星云前身恒星的不确定性，用JWST太空望远镜中的中红外线仪器（MIRI）和近红外线相机（NIRCam），以更精准的光谱能力锁定蟹状星云内部细丝内的两个区域进行多次检测和观察，希望有助于澄清和解开它的起源。

这项研究成果于6月20日发表《天体物理学杂志快报》上。

他们先在MIRI核磁共振（MRS）上对氩、氖和氧进行较小成像采样。仪器上使用4种不同的滤波器和多种不同的成像滤光片，让蟹状星云的成像在合成过程中，能够变得更加的立体清晰，还使成像拥有不同的颜色，以便天文学家们能够更好的辨识其面目。

另外，该团队利用MIRI的光谱分析能力对铁（Fe）、硫（S）、尘埃和PWN发射线进行采样，从而对镍铁丰富度比做出了更可靠的估计。

人们可以从MIRI和NIRCam合成的蟹状星云影像，观察到红橙色代表有硫、蓝色显示有铁，而黄白色和绿色显示灰尘发射。NIRCam则观测到烟白色是来自脉冲星风星云（PWN）。

此外，该团队用JWST望远镜绘制温暖的尘埃排放图，与赫歇尔太空天文台（Herschel Space Observatory）有关较冷尘埃颗粒的数据相结合，创建高分辨率尘埃分布的全面图景。该图最外层的细丝包含相对较温暖的尘埃，而较冷的颗粒则普遍靠近中心。

他们还利用JWST望远镜对蟹状星云两个选定区域，进行铁镍比率探测和观察这些物质在整个空间分布的情况。结果显示，铁镍丰富度比0.156到0.277之间，比太阳的铁镍丰富度比（0.053）高出2.8到5.2倍，但这项数据远比过去科学家们估计的50至75倍要低上许多。

这次JWST望远镜观测到的数据，揭示蟹状星云前所未有的细节，并了解PWN脉冲星云喷射出的铁镍丰富度。另外，科学家把修正后的数值，与电子捕获型超新星合成模型进行比较，得到蟹状星云中铁镍丰富度与“低质量铁核塌缩”爆炸或“电子捕获超新星”爆炸的理论吻合。

“低质量铁核塌缩”源于天文学家对铁核心塌缩超新星的一种新理解。现在天文学家认为，质量较低的恒星也可能产生低能量的铁核塌缩爆炸。

美国普林斯顿大学天文学家茶·特米姆（Tea Temim）对NASA表示，“现在JWST望远镜收集蟹状星云的数据扩大了，或许能解释蟹状星云的生成。原因是现在观察太空中的气体成分显示，超新星不需要电子捕获就能发生爆炸，因此可以用低质量铁核塌缩超新星来解释。”

美国亚利桑那大学斯图尔德天文台（Steward Observatory）天文学家内森·史密斯（Nathan Smith）则表示，“在蟹状星云中看到尘埃的地方很有趣，因为它不同于其它超新星遗迹，比如仙后座A和1987A天体中的尘埃通常位于最中心，但蟹状星云中的尘埃却存在于外壳致密纤维中。”

论文合著者、美国海军研究实验室马丁·拉明（Martin Laming）说，“目前，韦伯望远镜的光谱数据覆盖了蟹状星云的两个小区域，因此研究更多残骸并确定任何空间变化非常重要。如果我们能够识别出钴或锗等其它元素，那就太有趣了。”

科学家表示，未来将继续研究JWST望远镜收集到的资料，并与其它观测结果结合，以了解蟹状星云和其它天体生成过程。