韦伯望远镜让早期宇宙中的已发现超新星数量增加10倍

韦伯望远镜非常适合用来识别极其遥远的超新星，因为存在一种叫做宇宙学红移的现象，在这种现象中，穿越宇宙的光线会被拉伸到更长的波长。来自远古超新星的可见光被拉伸得如此之长，以至于最终出现在红外线中。韦伯望远镜的仪器可以看到红外光，因此非常适合寻找这些遥远的超新星。

一个研究小组利用韦伯早期宇宙深度探测的数据，发现了比以前已知的多 10 倍的远古超新星。这项研究是利用韦伯望远镜对远古超新星进行更广泛探测的第一步。

JADES 深度场使用的是 NASA 詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的观测数据，这是 JADES（JWST 高级河外星系深度巡天）计划的一部分。一个研究 JADES 数据的天文学家小组发现了大约 80 个亮度随时间变化的天体（绿色圈内）。这些被称为瞬变天体的天体大多是恒星或超新星爆炸的结果。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、JADES 合作组织

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）深入窥探宇宙，为科学家们首次提供了宇宙早期超新星的详细资料。一个使用韦伯数据的研究小组发现，早期宇宙中的超新星比之前已知的多 10 倍。其中一些新发现的爆炸恒星是同类恒星中最遥远的例子，包括那些用来测量宇宙膨胀率的恒星。

"韦伯望远镜是一台发现超新星的机器，"图森市亚利桑那大学斯图尔特天文台的三年级研究生克里斯塔-德库西（Christa DeCoursey）说。"探测到的超新星数量之多，加上这些超新星的距离之远，是我们巡天观测中最令人兴奋的两项成果"。

德库西在威斯康星州麦迪逊举行的美国天文学会第244次会议的新闻发布会上介绍了这些发现。

资料来源：NASA、ESA、CSA、Ann Feild（STScI）

为了取得这些发现，研究小组分析了作为 JWST 高级深河外星系巡天（JADES）计划一部分而获得的成像数据。韦伯望远镜非常适合寻找极其遥远的超新星，因为它们的光线会被拉伸到更长的波长--这种现象被称为宇宙学红移。(见上图）。

在韦伯望远镜发射之前，只有少数超新星的红移超过2，这相当于宇宙的年龄只有33亿年--仅为目前年龄的25%。JADES样本包含了许多在更久远的过去爆炸的超新星，当时宇宙的年龄还不到20亿年。

以前，研究人员利用美国宇航局的哈勃太空望远镜观测宇宙处于"青年期"时的超新星。通过 JADES，科学家们看到了宇宙处于"十几岁"或"前十几岁"时的超新星。未来，他们希望能够回望宇宙的"幼儿"或"婴儿"阶段。

为了发现这些超新星，研究小组比较了相隔一年的多幅图像，寻找在这些图像中消失或出现的光源。这些观测亮度随时间变化的天体被称为瞬变体，而超新星就是瞬变体的一种。总之，JADES 瞬变巡天样本小组在一片只有米粒粗细的天空中发现了大约 80 个超新星。

这张马赛克照片展示了从 JADES（JWST 高级深河外星系巡天）计划的数据中发现的约 80 个瞬变天体（即亮度不断变化的天体）中的三个。大多数瞬变体都是恒星或超新星爆炸的结果。通过对比 2022 年和 2023 年拍摄的图像，天文学家可以找到从我们的视角来看最近才爆炸的超新星（如前两列所示的例子），或者已经爆炸但其光线正在逐渐消失的超新星（第三列）。

每颗超新星的年龄都可以通过它的红移（用"z"表示）来确定。最遥远的超新星的红移为 3.8，它的光起源于宇宙只有 17 亿年的时候。红移 2.845 相当于宇宙大爆炸后 23 亿年。最接近的例子红移为 0.655，显示的是大约 60 亿年前离开其星系的光线，当时宇宙的年龄刚刚超过现在的一半。资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Christa DeCoursey（亚利桑那大学）、JADES 合作组织

位于马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所（STScI）的美国宇航局爱因斯坦研究员贾斯汀-皮埃尔（Justin Pierel）说："这确实是我们对高红移宇宙的瞬态科学的第一个样本。我们正试图确定遥远的超新星是否与我们在附近宇宙中看到的超新星有本质区别或非常相似。"

皮埃尔和 STScI 的其他研究人员提供了专家分析，以确定哪些瞬变实际上是超新星，哪些不是，因为它们往往看起来非常相似。

研究小组发现了一些高红移超新星，包括光谱学上确认的最远的一颗，红移为 3.6。它的祖星在宇宙只有 18 亿岁时爆炸。这是一颗所谓的核心坍缩超新星，是一颗大质量恒星的爆炸。

这段动画展示了白矮星爆炸的过程，白矮星是一颗恒星的残余物，密度极高，其核心已无法再燃烧核燃料。在这颗"Ia 型"超新星中，白矮星的引力从附近的恒星伴星那里偷走了物质。当白矮星的质量估计达到目前太阳质量的 1.4 倍时，它再也无法承受自身的重量，于是爆炸了。资料来源：NASA/JPL-Caltech

天体物理学家特别感兴趣的是 Ia 型超新星。(这些爆炸的恒星非常明亮，可以用来测量遥远的宇宙距离，帮助科学家计算宇宙的膨胀率。研究小组至少发现了一颗红移为 2.9 的 Ia 型超新星。这颗爆炸产生的光在 115 亿年前开始向我们传播，当时宇宙的年龄只有 23 亿年。此前经光谱学确认的 Ia 型超新星的距离记录是红移 1.95，当时宇宙的年龄是 34 亿年。

科学家们迫切希望分析高红移下的Ia型超新星，看看它们是否都具有相同的内在亮度，而与距离无关。这一点至关重要，因为如果它们的亮度随红移而变化，那么它们就不能成为测量宇宙膨胀率的可靠标记。

Pierel 分析了这颗发现于红移 2.9 的 Ia 型超新星，以确定其内在亮度是否与预期不同。虽然这只是第一个这样的天体，但结果表明没有证据表明Ia型亮度会随红移而变化。我们还需要更多的数据，但现在，基于 Ia 型超新星的宇宙膨胀率理论及其最终命运仍然保持不变。皮埃尔还在美国天文学会第244次会议上介绍了他的研究成果。

早期宇宙的环境与现在截然不同。科学家们期望看到来自恒星的古老超新星，这些恒星所含的重化学元素远远少于太阳这样的恒星。将这些超新星与本地宇宙中的超新星进行比较，将有助于天体物理学家了解早期恒星的形成和超新星的爆发机制。

STScI研究员马修-西伯特（Matthew Siebert）说："我们基本上为瞬变宇宙打开了一扇新窗口。从历史上看，每当我们这样做的时候，我们都会发现一些极其令人兴奋的东西--一些我们意想不到的东西。"

JADES团队成员、亚利桑那大学图森分校研究教授Eiichi Egami说："由于韦伯望远镜非常灵敏，它几乎能在其指向的所有地方发现超新星和其他瞬变体。这是利用韦伯望远镜对超新星进行更广泛观测的重要第一步。"

编译自:ScitechDaily