JWST odkrywa najwcześniejszą supernową we wszechświecie

Jasny błysk z Kosmicznego Świtu

14 marca 2025 roku satelita o nazwie SVOM zarejestrował krótki, bardzo jasny błysk promieniowania gamma — długi rozbłysk gamma, który został później skatalogowany jako GRB 250314A. W ciągu kilku godzin teleskopy naziemne i kosmiczne zwróciły się w stronę tego miejsca. Dalsze obserwacje pozwoliły na zidentyfikowanie podczerwonej poświaty oraz, co kluczowe, bardzo wysokiego przesunięcia ku czerwieni: około 7,3. To połączenie umieściło eksplozję głęboko w erze, którą astronomowie nazywają Kosmicznym Świtem, gdy wszechświat miał zaledwie około 730 milionów lat. Koordynowana kampania obserwacyjna, obejmująca obrazowanie za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, pozwoliła na zidentyfikowanie rozbłysku jako elektromagnetycznej sygnatury supernowej — najwcześniejszej takiej eksplozji, jaką dotąd zaobserwowano.

Jak przebiegało odkrycie

Rozbłyski gamma (GRB) dzielą się na dwie główne rodziny: krótkie zdarzenia trwające poniżej dwóch sekund, zwykle wiązane z fuzjami obiektów zwartych, oraz długie zdarzenia trwające ponad dwie sekundy, które są kojarzone ze śmiercią bardzo masywnych gwiazd. Detekcja dokonana przez SVOM 14 marca wykazała charakterystykę czasową i widmową typową dla długiego rozbłysku. W ciągu kilku dni obserwatorzy korzystający z Nordic Optical Telescope zarejestrowali podczerwoną poświatę, a należący do European Southern Observatory Very Large Telescope zmierzył przesunięcie ku czerwieni wynoszące blisko 7,3, co plasuje źródło w czasie wstecznym wynoszącym około 13,07 miliarda lat.

Zaskakujące podobieństwo w pierwszym miliardzie lat wszechświata

Jednym z najbardziej uderzających wyników jest to, jak zwyczajna wydaje się ta supernowa. Oczekuje się, że we wczesnym wszechświecie populacje gwiazd były ubogie w ciężkie pierwiastki (astronowie nazywają je metalami) i zachowywały się inaczej niż gwiazdy powstające dzisiaj. Jednak eksplozja związana z GRB 250314A wykazuje sygnatury fotometryczne i spektroskopowe przypominające współczesne supernowe z zapadnięciem rdzenia powiązane z długimi GRB: jasny, szeroki szczyt na podczerwonej krzywej blasku oraz kształty widmowe zgodne z wyrzutem zewnętrznych warstw masywnej gwiazdy napędzanym falą uderzeniową.

„Przystąpiliśmy do badań z otwartymi umysłami” – powiedział jeden z członków zespołu zaangażowanego w obserwacje JWST. „I proszę bardzo, Webb pokazał, że ta supernowa wygląda dokładnie tak, jak współczesne supernowe”. Ta pozorna normalność jest cenna, ponieważ oznacza, że modele skalibrowane na bliższych, lepiej zbadanych eksplozjach mogą stanowić punkt wyjścia do interpretacji zdarzeń przy bardzo wysokich przesunięciach ku czerwieni. Jednocześnie rodzi to pytania o to, jak szybko wczesne pokolenia gwiazd produkowały ciężkie pierwiastki i czy pierwsze masywne gwiazdy mogły wywoływać eksplozje o właściwościach podobnych do późniejszych populacji.

Czego astronomowie mogą się dowiedzieć z pojedynczego odległego wybuchu

Nawet pojedyncze zdarzenie przy z ~ 7,3 jest bogate pod względem naukowym. Po pierwsze, długi GRB zapewnia bezpośredni związek między śmiercią masywnej gwiazdy a kosmicznym procesem gwiazdotwórczym w epoce, gdy galaktyki były małe i słabe. Poświata GRB działa jak latarka, która na krótko podświetla galaktykę macierzystą od tyłu, umożliwiając pomiary zawartości gazu, metaliczności i pyłu — parametrów, które inaczej są niemal niemożliwe do uzyskania na taką odległość.

Po drugie, fakt, że JWST był w stanie wykryć i scharakteryzować supernową, oznacza, że przyszłe poświaty GRB na podobnych lub nawet większych odległościach mogą służyć jako sondy najwcześniejszych układów gwiazdotwórczych. Pomaga to określić, jak wcześnie wszechświat został wzbogacony chemicznie przez kolejne pokolenia supernowych — proces, który zasiewa w późniejszych gwiazdach i planetach pierwiastki niezbędne dla złożonej chemii.

Po trzecie, pozorne podobieństwo do współczesnych eksplozji dostarcza danych dla modeli ewolucji masywnych gwiazd w środowiskach o niskiej metaliczności. Jeśli wczesne masywne gwiazdy wytwarzają kolapsy i dżety, które wyglądają znajomo, teoretycy muszą pogodzić to z oczekiwaniami wynikającymi ze struktury gwiazd i utraty masy przy niskiej metaliczności, gdzie wiatry gwiazdowe są słabsze, a otoczki inne.

Rzeczywistość obserwacyjna i zastrzeżenia

Interpretacja pojedynczego zdarzenia o wysokim przesunięciu ku czerwieni wymaga ostrożności. GRB są zjawiskami silnie skolimowanymi: wykrywamy tylko te rozbłyski, których relatywistyczne dżety są skierowane blisko naszej linii widzenia. To selekcjonuje specjalny podzbiór przypadków śmierci masywnych gwiazd i może faworyzować w próbie odległych eksplozji protogwiazdy wytwarzające potężne, wąsko skolimowane dżety. Ponadto słabość obiektów przy z > 7 oraz konieczność szybkiej i głębokiej obserwacji sprawiają, że badana próba jest niewielka. Wniosek, że wczesne supernowe mogą wyglądać jak te współczesne, jest solidny dla tego konkretnego zdarzenia, ale to, czy odnosi się on do całej populacji, będzie wymagało więcej detekcji.

Istnieją również praktyczne ograniczenia wynikające z dylatacji czasu i przesunięcia ku czerwieni. To samo kosmologiczne rozciągnięcie, które pomaga przesunąć eksplozję w okno spektralne JWST, spowalnia również jej pozorną ewolucję dla obserwatorów na Ziemi: zdarzenie, które w układzie odniesienia galaktyki macierzystej może trwać tygodnie, w naszych teleskopach może trwać miesiące lub dłużej. To sprawia, że skoordynowane monitorowanie przez wiele miesięcy jest niezbędne do uchwycenia pełnej krzywej blasku i ewolucji widmowej.

Kolejne kroki w badaniu pierwszych eksplozji

Wynik ten podkreśla powracający motyw w erze JWST: teleskop nie tylko ujawnia zaskakująco jasne, zwarte galaktyki w pobliżu kosmicznego świtu, ale pozwala również astronomom badać zjawiska przejściowe, które śledzą życie i śmierć pierwszych pokoleń masywnych gwiazd. Zespoły już planują dalsze monitorowanie poświat GRB, a nowe przeglądy zjawisk przejściowych i obiekty nowej generacji poszerzą przestrzeń odkryć. W szczególności więcej rozbłysków GRB o wysokim przesunięciu ku czerwieni wraz z obserwacjami uzupełniającymi z JWST — a z czasem obserwacjami za pomocą 30-metrowych teleskopów naziemnych — pozwoli zbudować próbę statystyczną, którą będzie można porównać z modelami ewolucji gwiazd, nukleosyntezy i wczesnego formowania się galaktyk.

Na razie GRB 250314A stanowi sugestywny dowód koncepcji: dzięki szybkiemu odkryciu, błyskawicznej spektroskopii naziemnej w celu ustalenia przesunięcia ku czerwieni oraz czułym obserwacjom w podczerwieni, astronomowie mogą uchwycić i przeanalizować śmierć najwcześniejszych masywnych gwiazd wszechświata. Każda taka detekcja poszerza naszą zdolność do testowania modeli pierwszego miliarda lat, a ta — mająca miejsce zaledwie 730 milionów lat po Wielkim Wybuchu — jest najwcześniejszą supernową, jaką kiedykolwiek zaobserwowano.