詹姆斯·韋伯太空望遠鏡剛剛識別出大爆炸后僅 7.3 億年 的超新星

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翻譯：尹天任

校對：王茸 蔡賀菁

審閱：李宜驊

后臺：李子琦

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

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

這一驚人的成就打破了此前最遠超新星的記錄：此前是 JWST 在大爆炸后18億年發現的。

這個伽瑪射線暴被命名為GRB 250314A，最近在期刊 Astronomy and Astrophysics Letters 上發表的兩篇論文概述了它的屬性和觀測方式。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大學的Andrew Levan。第二篇題為《SVOM GRB 250314A 在 z ? 7.3：重離子化時代的爆炸恒星》，第一作者是法國 CEA Paris-Saclay 的 Bertrand Cordier。

“只有韋伯望遠鏡才能直接顯示這些光來自超新星——一顆塌縮的大質量恒星，”第一作者Levan在新聞稿中說。”這次觀測還表明我們可以利用韋伯去尋找宇宙僅為當前年齡 5% 時的單個恒星。”

發現一顆來自重離子化時代的超新星絕非易事，因為當時的宇宙還十分年輕。這次超新星引發了一個長期伽瑪射線暴（LGRB），這使發現更為重要，因為它能夠讓天體物理學家比較彼時與現今的恒星。

“大多數長期伽瑪射線暴被認為來自大質量恒星的塌縮，這使它們成為跨宇宙時間跟蹤恒星形成的有力痕跡，” Levan及其合作者寫道。“這種來源的證據來自伽瑪射線暴事件后出現的超新星，其屬性又反過來與塌縮恒星的屬性相關。原則上，借助伽瑪射線暴，我們可以研究遙遠宇宙中單個恒星的屬性。”

Cordier 和他的合作者同樣對這一機會感興趣。“長期伽瑪射線暴長期被視為探索早期宇宙的有力工具，”他們寫道。“它們與單個恒星的直接關聯，使它們成為恒星形成的關鍵追蹤器，這讓這些恒星在這些情況下也能夠被間接觀測到：當宿主星系太暗，連像詹姆斯·韋伯太空望遠鏡這樣敏感的設施也無法通過發射線直接觀測。”

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數星系的背景中。從古老宇宙中定位單個恒星是一項令人印象深刻的發現。圖像來源：NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan（IMAPP）；圖像處理：A. Pagan（STScI）。

大多數天文學家觀測的超新星并沒有那么遙遠。通常，它們的光會在數周內增加亮度然后開始減弱。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，它在數月內變得更亮。天文學家知道這一點，并在伽瑪射線暴結束后約3.5個月搜索這顆超新星。這是預計它最亮、最易觀測的時候。

“韋伯提供了我們所需的快速且靈敏的跟進觀測，” Levan論文的合著者、法國馬賽天體物理實驗室博士后研究員Benjamin Schneider說。

Levan表明：“總體而言，作為伽瑪射線暴前身的超新星屬于相對同質的群體。但它們的宿主星系卻不然；當這些對象如此遙遠且古老時，理解它們非常困難。而這些古老探測很少，這又增加了難度和興奮感。“在過去 50 年中，只有少數伽瑪射線暴被探測到發生在宇宙前十億年之內，這次事件非常罕見也非常令人興奮。”

這個伽瑪射線暴首次由 SVOM（空間多波段天文變量目標監測器） 探測到。SVOM 是由中國和法國聯合開發的一臺小型太空望遠鏡。它通過探測伽瑪射線暴并觀測X射線和可見光來研究爆炸恒星。SVOM于 2025年3月14日 首次探測到這個伽瑪射線暴。隨后，美國 NASA 的 Neil Gehrels Swift Observatory 精確定位了X射線輻射的來源。包括加那利群島的北歐光學望遠鏡和智利的甚大望遠鏡（VLT）在內的其他望遠鏡進行了更多觀測。數周后，JWST 確認了這一切背后的那顆單獨恒星

由于他們提前數月就知道要用JWST去尋找前身超新星，研究人員花時間對他們希望檢測到的光變曲線進行了建模和預測。“光度測量完全符合觀測前的預測，并支持在 z ? 7.3 處檢測到超新星的光，” Levan及其合著者寫道。

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

盡管宇宙自這個伽瑪射線暴發生以來已經發生了很大變化，JWST 顯示產生它的超新星與現代超新星驚人地相似。在重離子化時代，恒星更大、壽命更短。它們也具有較低的金屬豐度，因為尚未有幾代恒星生死循環把重元素擴散到星際介質中。那時星系間的氣體對高能光仍不透明。

“我們以開放的心態檢查觀測數據，”英國萊斯特大學教授、論文合著者Nial Tanvir說，“結果，韋伯顯示這顆超新星看起來與現代超新星完全一樣。”但天體物理學家還需要更深入、更詳細的觀測，才能發現可能存在的微小差異。

至于宿主超新星的星系，它看起來與其同時代的星系類似。然而該星系在圖像中不過是幾像素的一個紅色模糊點源，因此隨著更多數據的獲取，差異或也會顯現。

憑借這次成功，勒萬和他的合作者獲得了更多 JWST 的觀測時間，用于研究古老超新星和伽瑪射線暴。他們的目標是捕捉伽瑪射線暴的溫暖余暉，并利用它來了解古老星系更多信息。“那余暉將幫助韋伯看到更多并提供星系的‘指紋’，” Levan說。

在他們的論文中，Levan及其同事指出，對于他們檢測到多少來自超新星的光、多少來自星系背景光仍有一些不確定性。“宿主星系是最難約束的元素。”他們在研究中解釋，這歸結于可能性。

“盡管觀測符合標準模型的預期，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描述它是相關的，”他們寫道。“也許在這個背景下一個更緊迫的問題是這些光是否可能完全由宿主星系主導，而底層超新星貢獻更少（甚至為零）。”

然而，超新星預期發射與他們觀測到之間的契合在很大程度上壓倒了任何疑慮。“在GRB 250314A的情況下，數據與觀測前的模型預期的一致性是卓越的，” Levan及其合著者在結論中寫道。“最終，宿主星系的貢獻可以通過第二次的觀測來精確確定。”

在Cordier等人的論文中，作者指出望遠鏡的專用觀測任務如何幫助推進我們對古老伽瑪射線暴、超新星和星系的理解。“未來，我們強調一項能夠自主定位和對高紅移伽瑪射線暴進行光譜測量的改變游戲規則的伽瑪射線暴任務，將對這個領域帶來變革，”他們在結論中寫道。

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

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濕刻圖：SN 1604 超新星，銀河系內最后一顆肉眼可見的超新星。來源：NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair

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