詹姆斯·韦伯太空望远镜刚刚识别出大爆炸后仅 7.3 亿年 的超新星

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翻译：尹天任

校对：王茸 蔡贺菁

审阅：李宜骅

后台：李子琦

这两幅艺术家概念图展示了大爆炸后仅 7.3 亿年（即 2025 年 3 月）探测到的古老伽玛射线暴（左图），其喷流是伽玛射线暴的典型标志。右图显示了导致该伽玛射线暴的超新星。图像来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Leah Hustak（STScI）

超新星并不是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的主要科研主题，但这台敏锐的望远镜充满惊喜。最近，它精准定位到宇宙仅约7.3亿岁时的一颗恒星。这不是一颗普通的随机恒星,这是导致 2025 年 3 月探测到的伽玛射线暴（GRB）的超新星。

这一惊人的成就打破了此前最远超新星的记录：此前是 JWST 在大爆炸后18亿年发现的。

这个伽玛射线暴被命名为GRB 250314A，最近在期刊 Astronomy and Astrophysics Letters 上发表的两篇论文概述了它的属性和观测方式。一篇题为《JWST 显示在 z ≃ 7.3 处伽玛射线暴之后的超新星》，第一作者是荷兰Radboud大学的Andrew Levan。第二篇题为《SVOM GRB 250314A 在 z ≃ 7.3：重离子化时代的爆炸恒星》，第一作者是法国 CEA Paris-Saclay 的 Bertrand Cordier。

“只有韦伯望远镜才能直接显示这些光来自超新星——一颗塌缩的大质量恒星，”第一作者Levan在新闻稿中说。”这次观测还表明我们可以利用韦伯去寻找宇宙仅为当前年龄 5% 时的单个恒星。”

发现一颗来自重离子化时代的超新星绝非易事，因为当时的宇宙还十分年轻。这次超新星引发了一个长期伽玛射线暴（LGRB），这使发现更为重要，因为它能够让天体物理学家比较彼时与现今的恒星。

“大多数长期伽玛射线暴被认为来自大质量恒星的塌缩，这使它们成为跨宇宙时间跟踪恒星形成的有力痕迹，” Levan及其合作者写道。“这种来源的证据来自伽玛射线暴事件后出现的超新星，其属性又反过来与塌缩恒星的属性相关。原则上，借助伽玛射线暴，我们可以研究遥远宇宙中单个恒星的属性。”

Cordier 和他的合作者同样对这一机会感兴趣。“长期伽玛射线暴长期被视为探索早期宇宙的有力工具，”他们写道。“它们与单个恒星的直接关联，使它们成为恒星形成的关键追踪器，这让这些恒星在这些情况下也能够被间接观测到：当宿主星系太暗，连像詹姆斯·韦伯太空望远镜这样敏感的设施也无法通过发射线直接观测。”

这幅 JWST NIRCam 图像显示了伽玛射线暴及超新星的位置嵌入在无数星系的背景中。从古老宇宙中定位单个恒星是一项令人印象深刻的发现。图像来源：NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan（IMAPP）；图像处理：A. Pagan（STScI）。

大多数天文学家观测的超新星并没有那么遥远。通常，它们的光会在数周内增加亮度然后开始减弱。但这次情况不同。由于这次超新星极其古老，其光被宇宙膨胀拉伸，它在数月内变得更亮。天文学家知道这一点，并在伽玛射线暴结束后约3.5个月搜索这颗超新星。这是预计它最亮、最易观测的时候。

“韦伯提供了我们所需的快速且灵敏的跟进观测，” Levan论文的合著者、法国马赛天体物理实验室博士后研究员Benjamin Schneider说。

Levan表明：“总体而言，作为伽玛射线暴前身的超新星属于相对同质的群体。但它们的宿主星系却不然；当这些对象如此遥远且古老时，理解它们非常困难。而这些古老探测很少，这又增加了难度和兴奋感。“在过去 50 年中，只有少数伽玛射线暴被探测到发生在宇宙前十亿年之内，这次事件非常罕见也非常令人兴奋。”

这个伽玛射线暴首次由 SVOM（空间多波段天文变量目标监测器） 探测到。SVOM 是由中国和法国联合开发的一台小型太空望远镜。它通过探测伽玛射线暴并观测X射线和可见光来研究爆炸恒星。SVOM于 2025年3月14日 首次探测到这个伽玛射线暴。随后，美国 NASA 的 Neil Gehrels Swift Observatory 精确定位了X射线辐射的来源。包括加那利群岛的北欧光学望远镜和智利的甚大望远镜（VLT）在内的其他望远镜进行了更多观测。数周后，JWST 确认了这一切背后的那颗单独恒星

由于他们提前数月就知道要用JWST去寻找前身超新星，研究人员花时间对他们希望检测到的光变曲线进行了建模和预测。“光度测量完全符合观测前的预测，并支持在 z ≃ 7.3 处检测到超新星的光，” Levan及其合著者写道。

该图显示了 GRB 250314A 在 JWST F150W2 和 F444W 波段中的预期光变曲线。它包括余辉、SN 和宿主星系的组成部分。图片来源：Levan 等人。2025 年 A&A

尽管宇宙自这个伽玛射线暴发生以来已经发生了很大变化，JWST 显示产生它的超新星与现代超新星惊人地相似。在重离子化时代，恒星更大、寿命更短。它们也具有较低的金属丰度，因为尚未有几代恒星生死循环把重元素扩散到星际介质中。那时星系间的气体对高能光仍不透明。

“我们以开放的心态检查观测数据，”英国莱斯特大学教授、论文合著者Nial Tanvir说，“结果，韦伯显示这颗超新星看起来与现代超新星完全一样。”但天体物理学家还需要更深入、更详细的观测，才能发现可能存在的微小差异。

至于宿主超新星的星系，它看起来与其同时代的星系类似。然而该星系在图像中不过是几像素的一个红色模糊点源，因此随着更多数据的获取，差异或也会显现。

凭借这次成功，勒万和他的合作者获得了更多 JWST 的观测时间，用于研究古老超新星和伽玛射线暴。他们的目标是捕捉伽玛射线暴的温暖余晖，并利用它来了解古老星系更多信息。“那余晖将帮助韦伯看到更多并提供星系的‘指纹’，” Levan说。

在他们的论文中，Levan及其同事指出，对于他们检测到多少来自超新星的光、多少来自星系背景光仍有一些不确定性。“宿主星系是最难约束的元素。”他们在研究中解释，这归结于可能性。

“尽管观测符合标准模型的预期，但它们目前并不能证明源的可变性，因此考虑是否也可以用其他方案来描述它是相关的，”他们写道。“也许在这个背景下一个更紧迫的问题是这些光是否可能完全由宿主星系主导，而底层超新星贡献更少（甚至为零）。”

然而，超新星预期发射与他们观测到之间的契合在很大程度上压倒了任何疑虑。“在GRB 250314A的情况下，数据与观测前的模型预期的一致性是卓越的，” Levan及其合著者在结论中写道。“最终，宿主星系的贡献可以通过第二次的观测来精确确定。”

在Cordier等人的论文中，作者指出望远镜的专用观测任务如何帮助推进我们对古老伽玛射线暴、超新星和星系的理解。“未来，我们强调一项能够自主定位和对高红移伽玛射线暴进行光谱测量的改变游戏规则的伽玛射线暴任务，将对这个领域带来变革，”他们在结论中写道。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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湿刻图：SN 1604 超新星，银河系内最后一颗肉眼可见的超新星。来源：NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair

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