詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡剛剛識(shí)別出大爆炸后僅 7.3 億年 的超新星

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翻譯：尹天任

校對(duì)：王茸 蔡賀菁

審閱：李宜驊

后臺(tái)：李子琦

這兩幅藝術(shù)家概念圖展示了大爆炸后僅 7.3 億年（即 2025 年 3 月）探測(cè)到的古老伽瑪射線暴（左圖），其噴流是伽瑪射線暴的典型標(biāo)志。右圖顯示了導(dǎo)致該伽瑪射線暴的超新星。圖像來(lái)源：NASA、ESA、CSA、STScI、Leah Hustak（STScI）

超新星并不是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的主要科研主題，但這臺(tái)敏銳的望遠(yuǎn)鏡充滿驚喜。最近，它精準(zhǔn)定位到宇宙僅約7.3億歲時(shí)的一顆恒星。這不是一顆普通的隨機(jī)恒星,這是導(dǎo)致 2025 年 3 月探測(cè)到的伽瑪射線暴（GRB）的超新星。

這一驚人的成就打破了此前最遠(yuǎn)超新星的記錄：此前是 JWST 在大爆炸后18億年發(fā)現(xiàn)的。

這個(gè)伽瑪射線暴被命名為GRB 250314A，最近在期刊 Astronomy and Astrophysics Letters 上發(fā)表的兩篇論文概述了它的屬性和觀測(cè)方式。一篇題為《JWST 顯示在 z ? 7.3 處伽瑪射線暴之后的超新星》，第一作者是荷蘭Radboud大學(xué)的Andrew Levan。第二篇題為《SVOM GRB 250314A 在 z ? 7.3：重離子化時(shí)代的爆炸恒星》，第一作者是法國(guó) CEA Paris-Saclay 的 Bertrand Cordier。

“只有韋伯望遠(yuǎn)鏡才能直接顯示這些光來(lái)自超新星——一顆塌縮的大質(zhì)量恒星，”第一作者Levan在新聞稿中說(shuō)。”這次觀測(cè)還表明我們可以利用韋伯去尋找宇宙僅為當(dāng)前年齡 5% 時(shí)的單個(gè)恒星?！?/p>

發(fā)現(xiàn)一顆來(lái)自重離子化時(shí)代的超新星絕非易事，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的宇宙還十分年輕。這次超新星引發(fā)了一個(gè)長(zhǎng)期伽瑪射線暴（LGRB），這使發(fā)現(xiàn)更為重要，因?yàn)樗軌蜃屘祗w物理學(xué)家比較彼時(shí)與現(xiàn)今的恒星。

“大多數(shù)長(zhǎng)期伽瑪射線暴被認(rèn)為來(lái)自大質(zhì)量恒星的塌縮，這使它們成為跨宇宙時(shí)間跟蹤恒星形成的有力痕跡，” Levan及其合作者寫(xiě)道?！斑@種來(lái)源的證據(jù)來(lái)自伽瑪射線暴事件后出現(xiàn)的超新星，其屬性又反過(guò)來(lái)與塌縮恒星的屬性相關(guān)。原則上，借助伽瑪射線暴，我們可以研究遙遠(yuǎn)宇宙中單個(gè)恒星的屬性?！?/p>

Cordier 和他的合作者同樣對(duì)這一機(jī)會(huì)感興趣?！伴L(zhǎng)期伽瑪射線暴長(zhǎng)期被視為探索早期宇宙的有力工具，”他們寫(xiě)道?！八鼈兣c單個(gè)恒星的直接關(guān)聯(lián)，使它們成為恒星形成的關(guān)鍵追蹤器，這讓這些恒星在這些情況下也能夠被間接觀測(cè)到：當(dāng)宿主星系太暗，連像詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡這樣敏感的設(shè)施也無(wú)法通過(guò)發(fā)射線直接觀測(cè)?！?/p>

這幅 JWST NIRCam 圖像顯示了伽瑪射線暴及超新星的位置嵌入在無(wú)數(shù)星系的背景中。從古老宇宙中定位單個(gè)恒星是一項(xiàng)令人印象深刻的發(fā)現(xiàn)。圖像來(lái)源：NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan（IMAPP）；圖像處理：A. Pagan（STScI）。

大多數(shù)天文學(xué)家觀測(cè)的超新星并沒(méi)有那么遙遠(yuǎn)。通常，它們的光會(huì)在數(shù)周內(nèi)增加亮度然后開(kāi)始減弱。但這次情況不同。由于這次超新星極其古老，其光被宇宙膨脹拉伸，它在數(shù)月內(nèi)變得更亮。天文學(xué)家知道這一點(diǎn)，并在伽瑪射線暴結(jié)束后約3.5個(gè)月搜索這顆超新星。這是預(yù)計(jì)它最亮、最易觀測(cè)的時(shí)候。

“韋伯提供了我們所需的快速且靈敏的跟進(jìn)觀測(cè)，” Levan論文的合著者、法國(guó)馬賽天體物理實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Benjamin Schneider說(shuō)。

Levan表明：“總體而言，作為伽瑪射線暴前身的超新星屬于相對(duì)同質(zhì)的群體。但它們的宿主星系卻不然；當(dāng)這些對(duì)象如此遙遠(yuǎn)且古老時(shí)，理解它們非常困難。而這些古老探測(cè)很少，這又增加了難度和興奮感。“在過(guò)去 50 年中，只有少數(shù)伽瑪射線暴被探測(cè)到發(fā)生在宇宙前十億年之內(nèi)，這次事件非常罕見(jiàn)也非常令人興奮。”

這個(gè)伽瑪射線暴首次由 SVOM（空間多波段天文變量目標(biāo)監(jiān)測(cè)器） 探測(cè)到。SVOM 是由中國(guó)和法國(guó)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一臺(tái)小型太空望遠(yuǎn)鏡。它通過(guò)探測(cè)伽瑪射線暴并觀測(cè)X射線和可見(jiàn)光來(lái)研究爆炸恒星。SVOM于 2025年3月14日 首次探測(cè)到這個(gè)伽瑪射線暴。隨后，美國(guó) NASA 的 Neil Gehrels Swift Observatory 精確定位了X射線輻射的來(lái)源。包括加那利群島的北歐光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）在內(nèi)的其他望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了更多觀測(cè)。數(shù)周后，JWST 確認(rèn)了這一切背后的那顆單獨(dú)恒星

由于他們提前數(shù)月就知道要用JWST去尋找前身超新星，研究人員花時(shí)間對(duì)他們希望檢測(cè)到的光變曲線進(jìn)行了建模和預(yù)測(cè)。“光度測(cè)量完全符合觀測(cè)前的預(yù)測(cè)，并支持在 z ? 7.3 處檢測(cè)到超新星的光，” Levan及其合著者寫(xiě)道。

該圖顯示了 GRB 250314A 在 JWST F150W2 和 F444W 波段中的預(yù)期光變曲線。它包括余輝、SN 和宿主星系的組成部分。圖片來(lái)源：Levan 等人。2025 年 A&A

盡管宇宙自這個(gè)伽瑪射線暴發(fā)生以來(lái)已經(jīng)發(fā)生了很大變化，JWST 顯示產(chǎn)生它的超新星與現(xiàn)代超新星驚人地相似。在重離子化時(shí)代，恒星更大、壽命更短。它們也具有較低的金屬豐度，因?yàn)樯形从袔状阈巧姥h(huán)把重元素?cái)U(kuò)散到星際介質(zhì)中。那時(shí)星系間的氣體對(duì)高能光仍不透明。

“我們以開(kāi)放的心態(tài)檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)，”英國(guó)萊斯特大學(xué)教授、論文合著者Nial Tanvir說(shuō)，“結(jié)果，韋伯顯示這顆超新星看起來(lái)與現(xiàn)代超新星完全一樣?！钡祗w物理學(xué)家還需要更深入、更詳細(xì)的觀測(cè)，才能發(fā)現(xiàn)可能存在的微小差異。

至于宿主超新星的星系，它看起來(lái)與其同時(shí)代的星系類似。然而該星系在圖像中不過(guò)是幾像素的一個(gè)紅色模糊點(diǎn)源，因此隨著更多數(shù)據(jù)的獲取，差異或也會(huì)顯現(xiàn)。

憑借這次成功，勒萬(wàn)和他的合作者獲得了更多 JWST 的觀測(cè)時(shí)間，用于研究古老超新星和伽瑪射線暴。他們的目標(biāo)是捕捉伽瑪射線暴的溫暖余暉，并利用它來(lái)了解古老星系更多信息?！澳怯鄷煂椭f伯看到更多并提供星系的‘指紋’，” Levan說(shuō)。

在他們的論文中，Levan及其同事指出，對(duì)于他們檢測(cè)到多少來(lái)自超新星的光、多少來(lái)自星系背景光仍有一些不確定性?！八拗餍窍凳亲铍y約束的元素?！彼麄?cè)谘芯恐薪忉專@歸結(jié)于可能性。

“盡管觀測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期，但它們目前并不能證明源的可變性，因此考慮是否也可以用其他方案來(lái)描述它是相關(guān)的，”他們寫(xiě)道?！耙苍S在這個(gè)背景下一個(gè)更緊迫的問(wèn)題是這些光是否可能完全由宿主星系主導(dǎo)，而底層超新星貢獻(xiàn)更少（甚至為零）?！?/p>

然而，超新星預(yù)期發(fā)射與他們觀測(cè)到之間的契合在很大程度上壓倒了任何疑慮?！霸贕RB 250314A的情況下，數(shù)據(jù)與觀測(cè)前的模型預(yù)期的一致性是卓越的，” Levan及其合著者在結(jié)論中寫(xiě)道?！白罱K，宿主星系的貢獻(xiàn)可以通過(guò)第二次的觀測(cè)來(lái)精確確定?！?/p>

在Cordier等人的論文中，作者指出望遠(yuǎn)鏡的專用觀測(cè)任務(wù)如何幫助推進(jìn)我們對(duì)古老伽瑪射線暴、超新星和星系的理解?！拔磥?lái)，我們強(qiáng)調(diào)一項(xiàng)能夠自主定位和對(duì)高紅移伽瑪射線暴進(jìn)行光譜測(cè)量的改變游戲規(guī)則的伽瑪射線暴任務(wù)，將對(duì)這個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)變革，”他們?cè)诮Y(jié)論中寫(xiě)道。

責(zé)任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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濕刻圖：SN 1604 超新星，銀河系內(nèi)最后一顆肉眼可見(jiàn)的超新星。來(lái)源：NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair

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