1987A超新星

大麦哲伦星云中的一颗5等星

1987年2月23日，一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗5等星，它很快就被证实是一颗超新星，立即在世界各国的天文学界引起了轰动。这是自 1604年以来第一颗用肉眼就能看到的超新星，而且大麦哲伦云的距离是16万光年，是离地球最近的星系。这颗超新星被命名为1987A超新星。它是20世纪最大的天体物理事件之一。

名称由来

简介

SN1987A (SN是超新星英语Supernova的缩写，1987为发现年份，A代表这是当年发现的第一颗超新星) 是位于LMC中的狼蛛星云中的超新星。

首次发现

1987年2月23日，加拿大多伦多大学的天文学家发现，在离银河系最近的星系——“大麦哲伦云”中有一颗正在爆发的超新星。超新星很少会出现，特别是在离地球较近的太空中更是罕见。平均在一颗星系中，每300年才可能出现一颗超新星。这次爆炸的超新星是时隔400年后首次在距离地球最近的地方发生的爆炸。于是这颗编号为1987A的超新星立即引起了全世界天文学家的关注和重视，迅速成为历史上被研究最深入的超新星。

这颗超新星距离地球16.3万光年，所以本次看见的照片其实是超新星16.3万年前的样貌。而且它的爆发在一开始就被发现了，这就为观测研究超新星爆发的全过程提供了机会。

研究

1987年2月23日，天文学家目睹了400多年来最明亮的一起恒星爆炸事件。随后的几个月内，这颗被称为1987A的超新星一直光彩夺目，亮度相当于1亿颗太阳。哈勃太空望远镜2006年12月拍摄的1987A超新星遗迹。

20年来，地面和太空的许多大望远镜，包括NASA的哈勃太空望远镜在内，都对超新星1987A进行过观测。这些观测结果已经大大改变了天文学家对大质量恒星死亡方式的认识，其中最重要的一些线索，应当归功于哈勃望远镜的敏锐视力。

“哈勃望远镜拍摄的清晰照片，不仅提出了许多有关超新星1987A的新问题，还帮助我们找到了答案，”美国哈佛-史密森天体物理中心的罗伯特·科什纳（Robert Kirshner）说。“事实上，如果没有哈勃，我们甚至不知道该从哪些问题入手展开研究。”

科什纳领导着一个国际合作小组，对这颗死亡的恒星展开了研究。研究类似1987A的超新星非常重要，因为这些爆炸的恒星会产生碳和铁之类的重元素，这是形成新恒星、星系，乃至人类的重要原料。例如，我们血液之中的铁，就是由超新星爆炸产生的。1987A抛出的放射性铁元素质量相当于2万颗地球。

这颗超新星距离地球16.3万光年，位于大麦哲伦云中。事实上，它是在公元前161000年左右爆发的，但它的光直到1987年才抵达地球。

“哈勃的观测帮助我们改写了有关超新星的教科书。我们发现，真实世界的复杂和有趣远远超过任何人最大胆的想象。”科什纳解释说，在1987A出现之前，天文学家已经有了一套简单的、理想化的超新星模型。“我们当时简单地认为恒星的爆炸是球对称的，而且没有考虑爆炸之前的数千年里恒星喷出的气体。超新星1987A的爆炸碎片残骸其实是椭圆形的，并非球形；飞速喷溅的碎片正在撞入数千年前形成的气体环中。这些都是我们之前无法想象的。”

天文学家最初发现超新星1987A时，哈勃望远镜还没有上天。3年后哈勃成功升空，天文学家马上将它瞄向了这颗爆炸的恒星。哈勃对1987A的观测始于1990年，已经拍摄了数百张照片。通过对其爆发全过程的观测和研究，人们对1987A超新星有了一定的了解。这一超新星的前身是一颗蓝色的超巨星，视星等是12.24等。爆发之后一天，亮度就增加到了4.5等。经过三个月后亮度达到了顶峰。此后，它的亮度就开始逐渐下降，两年之后，它就降到了11.5等。除此之外，超新星还表现出了一些奇怪的特性。例如，它的亮度总共只增加了几千倍，这和一般情况下的超新星差的很远，但是它的亮度变化方式和其他许多特点又表明它肯定是一颗超新星，而不是普通的新星。

科学揭秘

形成过程

哈勃拍摄的照片可以清楚地看到冲击波撞入气体环的过程。被冲击波加热的气体团块，使发光气体环变成了一串珍珠项圈。天文学家认为，再过几年，整个气体环都将变亮。到那时，气体环的亮度足以照亮这颗恒星的周围区域，天文学家就能获得爆炸发生之前，恒星抛射物质方面的更多信息。哈勃太空望远镜从1994年到2006年拍摄的超新星1987A，揭示了冲击波撞入气体环，加热其中气体，使它们发光变亮的过程。

“冲击波将穿过内环，撞入外环，并使它们发光，到那时我们将了解更多细节。”科什纳说：“冲击波会带着我们追溯恒星爆炸前2万年的历史。不过还有许多未解之迷有待研究。我们仍然不知道恒星爆炸之前的演化过程，也不清楚三个气体环的形成机制。”

天文学家还在继续寻找死亡恒星的残骸——黑洞或中子星的下落。大质量恒星的死亡通常会产生这种致密天体。大部分天文学家认为，20年前的爆炸已经产生了一颗中子星，不过仍然没有找到它存在的线索。科什纳说，这颗中子星可能被尘埃掩盖了，也有可能形成的是黑洞，而不是中子星。

如果哈勃太空望远镜能够恢复正常，并按计划更新设备，科什纳打算利用新设备的红外观测能力寻找这个残骸。预计在2013年发射升空的詹姆斯·韦布望远镜，将拥有比哈勃望远镜更加敏锐的视力；届时，气体环也将变得更加明亮，天文学家将拥有更好的机会，深入剖析这颗爆炸恒星的内部过程。

钱德拉（Chandra）太空望远镜最近所做的观测，已经揭露了超新星1987A周围火焰环的新细节。这些数据为这颗厄运之星在爆炸之前的最后几年内的行为提供了新的认识，并且暗示，该恒星亮环的预期显著增亮已经开始了。

超新星1987A的光学和X射线图像。Image credit: NASA/CXC/PSU 这颗超新星是在距离地球仅160,000光年的大麦哲伦云中爆炸的，曾经肉眼可见，是近400年来已知最明亮的超新星。爆炸的地点被确定到了一颗蓝色超巨星上，它被称为Sanduleak -69º 202（简称为SK-69），质量估计为太阳的20倍左右。后续的光学、紫外和X射线观测已经使得天文学家们拼凑出了这样一幅SK-69的演化场景：大约一千万年前，这颗恒星诞生于一片黑暗致密的尘埃气体云中。

大概一百万年前，这颗恒星在缓慢移动的星风之中损失了它外层的绝大部分质量，在周围形成了巨大的气体云；在恒星爆炸之前，它的炽热表面吹出的高速星空在周围的寒冷气体云中推开了一个空洞。来自于超新星的强烈紫外闪光照亮了空洞的边缘，形成了哈勃（Hubble）空间望远镜所看见的明亮圆环。与此同时，超新星爆炸也产生了一个激波，在空洞中呼啸着向外推进。

1999年，钱德拉拍到了这个激波，天文学家们已经在热切地等待着这个激波撞上空洞的边缘。在那里，它将会遭遇到致密得多的气体，这是恒星在红超巨星阶段吹出的星风物质堆积而成的。这样的遭遇会使得X射线辐射产生戏剧性的增长。来自于钱德拉和哈勃太空望远镜的最新数据暗示，这个深受期待的事件已经开始了。光学热斑正环绕在亮环上，就像一串灿烂夺目的钻石项链。钱德拉的图片则揭露了出现于光学热斑位置上的、数百万度的炽热气体。

爆发细节

黄色的激波在向外传播的过程中，遭遇到外围致密气体向内侧突起的气体团块（白色）。它们之间的碰撞将气体团块加热，释放出可见光和X射线辐射。激波后侧的气体和激波外围的气体温度都还不高，不足以发出X射线。钱德拉获得的X射线光谱提供了证据，表明光学热斑和产生X射线的气体都是由于激波和气体的碰撞而产生的，前者是不断向外推进的超新星激波，而后者则是环绕恒星的气体环中，向内侧突出的寒冷气体团块。

这些团块是很久以前，高速星风与环绕恒星的致密气体云相互作用的结果。这些致密的团块和可见的环恒星亮环仅仅是一个巨大得多的物质包层的内侧边缘，其中包含的物质总量尚不清楚，它们都是很久以前被SK -69抛射出来的。随着激波继续闯入这片致密的气体云，激波产生的紫外线和X射线辐射将会加热更多环绕在恒星周围的气体。钱德拉在不同时间拍摄到的亮环的变化过程。

所处位置

超新星1987 a（SN 1987a）位于大麦哲伦星云方向，科学家在1987年发现了这颗超新星的明亮闪光，其前身是一蓝超巨星，在进入超新星爆发阶段时，所有的物质开始抛射，是一次较为典型的大质量恒星演化案列。科学家再次组织对超新星1987 a的观测，却发现了不一样的情景，从巨大的尘埃团中发现了一些有助于揭开恒星爆发物质与早期天体系统演化、形成的迹象。

现象解释

距地球16万光年的大麦哲伦星云，1987年曾出现超新星“1987A”三光环奇观。这种现象的形成过程一直被天文学界认为是不解之谜。近日，两名日本科学家给出了他们的解释。

超新星是恒星濒临死亡时能量大爆发的“回光返照”，在大爆发中显示非常明亮辉煌的景观，在超新星爆发后，恒星就成为吞噬一切物质和能量的黑洞。日本九州大学教授田中高史和湘南工科大学教授鹫见治一用电子计算机成功再现了这一超新星的光环景象。两位教授推断，光环在恒星成为超新星之前的红巨星阶段已经形成。在红巨星阶段，先是恒星浓密气体向周边膨胀为球状，后来，因为恒星内部气体更为迅速地喷发，气团成为空心球状。由于磁场压力的作用，球状气团变成平的环形，而环的上面和下面分别受到恒星北极和南极的引力，剥落成三个环。

细节特点

超新星周围有一个直径约1光年的发光气体环。它在恒星爆炸的至少2万年前就已经存在。超新星爆炸发出的X射线激发环中的气体，使它们持续发光。超新星还拥有另外两个发光气体外环，这是地面望远镜没有发现的。爆发遗迹中心呈现出哑铃形结构，长度现已增大到0.1光年。它由对称的两个瓣状碎片云组成，以每小时大约3,200万公里的速度相互远离。汹涌的爆炸冲击波正在撞入死亡恒星周围的窄环内侧区域，加热其中的气体，使它们发光发亮。哈勃拍摄的照片可以清楚地看到冲击波撞入气体环的过程。被冲击波加热的气体团块，使发光气体环变成了一串珍珠项圈。天文学家认为，再过几年，整个气体环都将变亮。到那时，气体环的亮度足以照亮这颗恒星的周围区域，天文学家就能获得爆炸发生之前，恒星抛射物质方面的更多信息。

科学预测

从1994年到2006年拍摄的超新星1987A，揭示了冲击波撞入气体环，加热其中气体，使它们发光变亮的过程。美国哈佛·史密森天体物理中心的罗伯特·科什纳（Robert Kirshner）说，事实上如果没有哈勃，我们甚至不知道该从哪些问题入手展开研究。”超新星1987A科什纳领导着一个国际合作小组，对这颗死亡的恒星展开了研究。研究类似1987A的超新星非常重要，因为这些爆炸的恒星会产生碳和铁之类的重元素，这是形成新恒星、星系，乃至人类的重要原料。例如，我们血液之中的铁，就是由超新星爆炸产生的。1987A抛出的放射性铁元素质量相当于2万颗地球。

这颗超新星距离地球16.3万光年，位于大麦哲伦云中。事实上，它是在公元前161000年左右爆发的，但它的光直到1987年才抵达地球。在1987A出现之前，天文学家已经有了一套简单的、理想化的超新星模型。

天文学家还在继续寻找死亡恒星的残骸——黑洞或中子星的下落。大质量恒星的死亡通常会产生这种致密天体。大部分天文学家认为，1987年的爆炸已经产生了一颗中子星，不过仍然没有找到它存在的线索。科什纳说，这颗中子星可能被尘埃掩盖了，也有可能形成的是黑洞，而不是中子星。

预计在2018年发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，将拥有比哈勃望远镜更加敏锐的视力；界时，气体环也将变得更加明亮，天文学家将拥有更好的机会，深入剖析这颗爆炸恒星的内部过程。

超新星1987A光谱

很久以前，超新星1987A的前身——SK-69的大部分外层物质在移动缓慢的星风作用下慢慢脱离出去，在恒星的周围形成了一个浓密的气体云。在超新星爆发之前，源自恒星的一股高速的星风把这团寒冷的气体云吹出一个空洞。红色的部分表示的就是这个气体云的内侧边缘。内侧的突出物是高速的星风同恒星周围稠密的气体环相互作用而产生的。向外扩张的激波（黄色部分）同稠密的突出物相撞击便产生了在可见光波段以及X射线波上的亮斑（白色部分）。

超新星爆发所产生的残骸（蓝色部分）其扩张速度远在激波之后，除了那些处在残骸外围的稀薄壳层，由于温度太低残骸部分不能激发出X射线。

结论

超新星1987A的爆炸碎片残骸其实是椭圆形的，并非球形；飞速喷溅的碎片正在撞入数千年前形成的气体环中。

超新星1987A的超新星遗迹是其中一个最被深入研究的天体。

遗留的中子星

超新星1987A似乎是向核心塌缩的超新星，理论上爆发后应该遗下一颗中子星，可是由爆发至现在仍未有发现。

超新星1987A周围火焰环的新细节的数据为这颗厄运之星在爆炸之前的最后几年内的行为提供了新的认识，并且暗示，该恒星亮环的预期显著增亮已经开始了。

哈勃空间望远镜拍摄了超新星1987A最清晰的照片，但仍然找不到那颗理论上存在的中子星。

中子星的“失踪”有三种可能性：一、中子星周围的气体太浓密，因此不能被观察；二、中子星吸收周围的物质，塌缩成为夸克星，因此也不能被观察到；三、中子星吸引了太多的物质，使之再度塌缩成为黑洞，因此也不能被观察到。后者近年来得到较有力的支持。

超新星1987A周围亮环的理论模型示意图显示黄色的激波在向外传播的过程中，遭遇到外围致密气体向内侧突起的气体团块（白色）。它们之间的碰撞将气体团块加热，释放出可见光和X射线辐射。激波后侧的气体和激波外围的气体温度都还不高，不足以发出X射线。

2019，借助于最先进的亚毫米望远镜ALMA 终于发现了证实了残骸里中子星的存在。

研究证明

2024年4月1日，英国伦敦大学学院参与的国际天文学研究发现首个确凿证据，证明超新星1987A的中心存在中子星。研究结果发表在《科学》杂志上。

该科研团队用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）光谱仪观察超新星，发现重氩和硫原子的证据，其外层电子已在靠近恒星爆炸发生处被剥离，相对于超新星静止框架的速度发生了蓝移。经光电离模型研究发现这些原子只能被来自热冷却中子星的紫外线和x射线辐射电离，或者由快速旋转的中子星加速并与周围超新星物质相互作用的相对论粒子风电离，速度的变化可能是中子星诞生的证据。

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