恒星在尘土飞扬的星系中爆炸——我们不能总是看到它们

该图像显示了由 NASA 的斯皮策望远镜和哈勃望远镜拍摄的星系 Arp 148。 经过特殊处理的斯皮策数据出现在白色圆圈内，揭示了隐藏在尘埃中的超新星发出的红外光。 这是在最近的一篇论文中首次记录的五颗隐藏的超新星之一。 图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

爆炸的星星会产生令人兴奋的灯光秀。 斯皮策等红外望远镜能够看穿阴霾，并更好地了解这些火山爆发的频率。

你会认为超新星——大质量恒星的死亡阵痛和宇宙中最明亮、最强大的爆炸之一——很难错过。 然而，在宇宙最遥远的地方观察到的这种爆炸的数量远低于天体物理学家的预期。

使用数据的新研究 美国宇航局最近退役的斯皮策太空望远镜报告发现了五颗以前从未见过的超新星，在光学光下未被发现。 斯皮策用红外光观察宇宙，红外光穿透阻挡光的尘埃云——我们的眼睛看到的那种光，无阻碍的超新星辐射最亮。

为了寻找隐藏的超新星，研究人员研究了斯皮策对 40 个尘埃星系的观测。 （在太空中，尘埃是指具有类似于烟雾的稠度的颗粒状粒子。）根据他们在这些星系中发现的数量，该研究证实，超新星确实像科学家们预期的那样频繁发生。 这一预测是基于科学家目前对恒星如何演化的理解。 像这样的研究对于提高这种理解是必要的，无论是通过加强还是挑战它的某些方面。

下载这张免费的 NASA 海报，纪念退役的斯皮策太空望远镜。 图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

太空望远镜科学研究所的科学家奥里福克斯说：“斯皮策的这些结果表明，我们长期以来用来探测超新星的光学巡天漏掉了宇宙中发生的多达一半的星暴。”在巴尔的摩。 马里兰州，以及这项新研究的主要作者，该研究发表在《皇家天文学会月刊》上。 “我们用斯皮策望远镜看到的超新星数量与理论预测在统计上是一致的，这是一个非常好的消息。”

“超新星悖论”——预测的超新星数量与光学望远镜观测到的数量之间存在差异——在附近的宇宙中不是问题。 在那里，星系减缓了恒星形成的速度，而且通常尘埃较少。 然而，在宇宙更遥远的区域，星系显得更年轻，以更高的速度产生恒星，并且往往含有更多的尘埃。 这种尘埃吸收和散射光学和紫外线，阻止它到达望远镜。 因此，研究人员长期以来一直推论，失踪的超新星一定存在并且是不可见的。

“因为自恒星形成的早期以来，当地的宇宙已经平静了一些，我们通过典型的光学搜索看到了预期的超新星数量，”福克斯说。 “然而，观察到的超新星探测率会随着你进一步移动而下降，并回到宇宙时代，那时尘埃最多的星系占主导地位。”

在如此远的距离探测超新星可能具有挑战性。 为了寻找被神秘星系世界包围但距离不太远的超新星，福克斯的团队选择了一个由 40 个被尘埃阻塞的星系组成的局部群，它们被称为发光和超发光红外星系（分别为 LIRG 和 ULIRG）。 LIRGs 和 ULIRGs 中的尘埃吸收来自超新星等物体的光，但允许来自这些相同物体的红外辐射不受阻碍地通过，直到像斯皮策这样的望远镜能够探测到它。

当五颗前所未见的超新星出现在（红外）光中时，研究人员的预感被证明是正确的。 “这证明了斯皮策望远镜能够从这些尘土飞扬的星系中接收到微妙的超新星信号，这证明了斯皮策的发现潜力，”福克斯说。

研究合著者、天文学教授亚历克斯·菲利彭科 (Alex Filippenko) 加州大学伯克利分校. “他们帮助回答了这个问题，’所有的超新星都去了哪里？’ ”

斯皮策发现的超新星类型被称为“基本坍缩超新星”，其中包括质量至少是太阳质量八倍的巨星。 随着年龄的增长，它们的核心充满了铁，大恒星不再能产生足够的能量来承受自身的引力，它们的核心会突然灾难性地坍塌。

快速产犊过程中产生的强烈压力和温度通过核聚变形成新的化学元素。 坍缩的恒星最终会从它们超高密度的核心反弹，将自己炸成碎片并将这些元素散布在整个空间中。 超新星会产生“重”元素，就像大多数金属一样。 这些元素对于建造岩石行星（如地球）以及生物有机体至关重要。 一般来说，超新星率是对恒星形成模型和宇宙中重元素形成的重要检验。

“如果你知道有多少恒星正在形成，你就可以预测有多少会爆炸，”福克斯说。 “或者，相反，如果你有多少恒星爆炸的迹象，你就可以预测有多少恒星正在形成。了解这种关系对于天体物理学的许多研究领域都至关重要。”

下一代望远镜，包括美国宇航局的罗马南希格雷斯太空望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜，将像斯皮策一样探测红外光。

“我们的研究表明，恒星形成模型与超新星发生率的一致性比以前认为的要高，”福克斯说。 “通过揭示这些隐藏的超新星，斯皮策为韦伯和罗马太空望远镜的新发现铺平了道路。”

参考资料：“A 斯皮策 由 Uri de Vox、Harish Khandrika、David Rubin、Chadwick Casper、Gary Z Lee、Tamas Szalay、Lee Armos、Alexei V. Filipenko、Michael F. Skrutsky、Lou Strulger 和 Schuyler de Van Dyck 撰写的尘埃遮蔽超新星调查， 2021 年 6 月 21 日和 英国皇家天文学会月刊.
DOI：10.1093/mnras/stab1740

关于使命的更多信息

美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室进行了任务操作，并为该机构位于华盛顿的科学任务理事会指挥了斯皮策太空望远镜任务。 科学操作是在帕萨迪纳加州理工学院的斯皮策科学中心进行的。 航天器的运营基地位于科罗拉多州利特尔顿的洛克希德马丁太空公司。 数据存档在位于加州理工学院 IPAC 的红外科学档案中。 加州理工学院运行 喷气推进实验室 到美国宇航局。