詹姆斯·韦伯空间望远镜探测到宇宙已知最早的超新星

来自宇宙黎明的明亮闪光

2025年3月14日，一颗名为 SVOM 的卫星探测到一个短暂且极亮的伽马射线闪光——这是一个长伽马射线暴，后来被编号为 GRB 250314A。几小时内，地面和空间的望远镜便转向了该位置。后续观测确认了红外余辉，关键在于其红移极高：约为 7.3。这一组合将此次爆炸置于天文学家称之为“宇宙黎明”（Cosmic Dawn）的时代深处，当时宇宙的年龄仅约为 7.3 亿年。一项包括詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）成像在内的协同观测行动，现已确定该爆发是一颗超新星的电磁特征——这是迄今为止观测到的最早的此类爆炸。

发现是如何展开的

伽马射线暴（GRB）分为两大类：持续时间不足两秒的短暴（通常与致密天体合并有关）和持续时间超过两秒的长暴（与极高质量恒星的死亡有关）。SVOM 在3月14日的探测结果显示了长暴的时间和光谱特征。几天之内，观测者利用 Nordic Optical Telescope 获取了红外余辉，而欧洲南方天文台（European Southern Observatory）的 Very Large Telescope 测量到红移接近 7.3，将该波源置于约 130.7 亿年前的回溯时间。

在宇宙最初的十亿年里，令人惊讶的熟悉感

最引人注目的结果之一是，这颗超新星看起来是多么平淡无奇。在宇宙早期，恒星族群预计缺乏重元素（天文学家称之为“金属”），其行为应与今天形成的恒星有所不同。然而，与 GRB 250314A 相关的爆炸显示出的光度学和光谱特征，与现代长暴相关的核心坍缩超新星十分相似：红外光变曲线中有一个明亮且宽阔的峰值，且光谱形状与大质量恒星外层受冲击驱动的抛射相一致。

“我们抱着开放的态度进行研究，”参与 JWST 观测的一位团队成员说道。“结果你猜怎么着，韦布显示这颗超新星看起来和现代超新星一模一样。”这种显而易见的常态性非常有价值，因为这意味着基于较近、研究较充分的爆炸所校准的模型，可以作为解释极高红移事件的起点。同时，它也提出了关于早期恒星产生重元素的速度有多快，以及第一批大质量恒星是否能产生与后期族群性质相似的爆炸等问题。

天文学家能从单次遥远爆炸中学到什么

即使是在 z ~ 7.3 处的单一事件，在科学上也具有丰富的意义。首先，在星系细小且暗淡的纪元，长暴提供了大质量恒星死亡与宇宙恒星形成之间的直接联系。伽马暴余辉就像一个手电筒，短暂地照亮了宿主星系的背景，从而能够测量其气体含量、金属量和粉尘——在这一距离下，这些参数原本几乎无法获取。

其次，JWST 能够探测并表征这颗超新星的事实，意味着未来在类似甚至更远距离的伽马暴余辉，可以被用作研究最早恒星形成系统的探测器。这有助于限定宇宙在多早的时候通过连续几代超新星实现了化学增丰——这一过程为后来的恒星和行星播下了复杂化学反应所需的元素种子。

第三，与现代爆炸的表观相似性为低金属量环境中的大质量恒星演化模型提供了数据点。如果早期的大质量恒星产生的坍缩和喷流看起来很眼熟，理论学家就必须将其与低金属量下恒星结构和质量损失的预期（此时恒星风较弱且包层不同）进行调和。

观测现实与注意事项

解释单一的高红移事件需要谨慎。伽马暴是具有强定向辐射的现象：我们只能探测到相对论性喷流指向接近我们视线的爆发。这筛选出了一类大质量恒星死亡的特殊子集，并可能使任何遥远爆炸的样本偏向于那些产生强大的、高度准直喷流的前身星。此外，z > 7 处天体的暗淡以及快速、深度后续观测的必要性，使得观测到的样本量很小。关于早期超新星可能看起来像现代超新星的结论，对于这一事件是可靠的，但它是否适用于整个族群，则需要更多的探测。

时间膨胀和红移也带来了实际限制。这种帮助将爆炸移入 JWST 光谱窗口的宇宙学拉伸，同时也减缓了它在地球观测者眼中的演化速度：在宿主星系参考系中可能持续数周的事件，在我们的望远镜中可能需要数月或更长时间。这使得跨越数月的协同监测对于捕获完整的光变曲线和光谱演化至关重要。

研究第一批爆炸的下一步计划

这一结果强调了 JWST 时代一个反复出现的主题：该望远镜不仅揭示了宇宙黎明附近异常明亮、致密的星系，还让天文学家能够研究追踪第一代大质量恒星生与死的瞬变源。各团队已经在计划对伽马暴余辉进行持续监测，新的瞬变源巡天和下一代设施将扩大发现空间。特别是，更多的高红移伽马暴加上 JWST 的后续观测——以及未来 30 米级地面望远镜的观测——将建立起一个统计样本，以便与恒星演化、核合成及早期星系组装的模型进行对比。

目前，GRB 250314A 提供了一个生动的概念验证：通过快速发现、快速地面光谱测量以确定红移以及灵敏的红外后续观测，天文学家可以捕捉并剖析宇宙最早的大质量恒星的死亡。每一次这样的探测都扩展了我们测试最初十亿年模型的能力，而这一次——在宇宙大爆炸后仅 7.3 亿年——是迄今为止见到的最早的超新星。