2025年3月14日,一道仅持续10秒的伽马射线暴击中了中法联合研制的SVOM卫星的探测器。这束来自宇宙黎明时期的光穿越了131亿年才抵达地球,当时宇宙年龄仅为现在的二十分之一。九个月后,詹姆斯·韦伯太空望远镜确认,这是人类迄今观测到的最遥远超新星,编号GRB 250314A,红移值达到7.3。
这不仅仅是打破距离记录。这颗超新星展现出的特征与现代第二型超新星惊人相似,而非理论预测的原始恒星爆炸应有的极端特征。这意味着宇宙在形成后仅7.3亿年时,恒星的化学演化和死亡机制就已经达到相当成熟的水平。国际天文学团队在《天文学与天体物理学》期刊发表的论文指出,这一发现挑战了关于早期宇宙恒星演化速度的长期假设,可能需要重写第一代恒星的理论模型。
从10秒闪光到9个月追踪
伽马射线暴是宇宙中最猛烈的爆炸现象之一,释放的能量在几秒到几百秒内超过太阳一生的总输出。长持续时间的伽马射线暴通常与大质量恒星的坍缩有关,当恒星核心耗尽燃料,在自身引力下崩塌成黑洞或中子星时,会沿着旋转轴喷射出接近光速的物质喷流。如果喷流恰好对准地球,我们就能探测到这道短暂而强烈的闪光。
SVOM卫星专门设计用于探测这类瞬变事件。它在2024年6月发射升空,搭载伽马射线监测器和X射线望远镜,能够在几秒内定位爆发源并通过通信卫星向全球天文台发送警报。2025年3月14日探测到GRB 250314A后,90分钟内NASA的尼尔·格雷尔斯雨燕天文台确定了精确位置。地面的北欧光学望远镜和欧洲南方天文台的甚大望远镜迅速跟进,在余辉消失前捕获了宝贵的光谱数据。
光谱分析显示红移值为7.3,这是一个令天文学家震惊的数字。红移是衡量光源距离和宇宙膨胀的关键指标,红移越大意味着距离越远,时间越早。红移7.3对应宇宙大爆炸后约7.3亿年,正值再电离时期。在此之前,直接光谱确认的最遥远超新星红移值仅为4.3,对应约120亿年前,而GRB 250314A将这个记录提前了11亿年。
SVOM（天基多波段天文变星监测器）卫星的艺术效果图。图片来源：法国国家空间研究中心（CNES）。
研究团队立即申请詹姆斯·韦伯太空望远镜的快速反应观测时间。韦伯望远镜于2025年7月初将其强大的红外观测能力对准爆发区域,时间点精心选在超新星光变曲线预测的峰值附近。近红外相机NIRCam和近红外光谱仪NIRSpec联合作业,不仅解析了暗淡的超新星余辉,还识别出了宿主星系的微弱信号。
意外的成熟度
最令天文学家惊讶的不是距离本身,而是这颗超新星的"正常"特征。理论预测,宇宙最早期的第三星族恒星应该完全由氢和氦组成,没有重元素,质量可能高达太阳的数百倍,爆炸时会产生极端不对称的形态和异常的光谱特征。但GRB 250314A展现出的光度曲线、光谱线和能量分布都与现代宇宙中的第二型超新星非常相似。
伽马射线暴这种超亮闪光的来源：一颗在宇宙仅有7.3亿年历史时爆炸的超新星。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、A. Levan (IMAPP)；图像处理：A. Pagan (STScI)
NASA、欧洲航天局和巴黎天文台联合发布的数据显示,这颗恒星在爆炸前的质量估计为太阳的20到30倍,并非极端大质量恒星。它的化学组成包含一定比例的重元素,表明之前已经有至少一代恒星完成了核聚变循环并将产物抛洒到星际空间。爱尔兰都柏林大学参与研究的天文学家表示,这颗超新星的行为"更像我们今天看到的恒星死亡,而不是原始混沌中的爆炸"。
宿主星系看起来结构紧凑且正在活跃形成恒星,尺寸约为银河系的百分之一。这与再电离时期其他高红移星系的观测一致,但由于距离极其遥远,即使韦伯望远镜的分辨率也难以揭示更多细节。可以确认的是,这个小型星系正在以很高的速率将气体转化为恒星,而GRB 250314A就是这些新生大质量恒星之一走到了生命终点。
荷兰拉德堡德大学领导的研究团队在论文中指出,如果GRB 250314A具有代表性,那么早期宇宙中恒星形成、化学富集和黑洞产生的速度可能远快于标准宇宙学模型的预测。传统理论认为,第一代恒星爆炸后需要数亿年才能积累足够的重元素,形成第二代恒星。但GRB 250314A的存在表明,这个过程可能在几亿年内就完成了。
这张分为两部分的插图分别展示了超新星 GRB 250314A 爆炸时的景象以及三个月后韦伯望远镜观测到的景象。韦伯望远镜证实，这颗超新星爆发时，宇宙的年龄仅为 7.3 亿年。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、L. Hustak (STScI)
再电离时期的新窗口
再电离时期是宇宙历史上的关键阶段。大爆炸后约38万年,宇宙冷却到足以让电子和质子结合成中性氢原子,宇宙进入"黑暗时代"。直到第一代恒星和星系形成,它们发出的强烈紫外辐射重新将中性氢电离,宇宙才再次变得透明。这个过程大约从大爆炸后2到3亿年开始,持续到10亿年左右。
GRB 250314A发生在再电离时期的中期,提供了这一阶段恒星性质的直接证据。此前,天文学家主要通过观测类星体和遥远星系的统计特性来推断再电离过程。直接观测到的恒星爆炸极其罕见,红移大于6的伽马射线暴经光谱确认的不到十几个,能够像GRB 250314A这样提供丰富余辉和宿主星系数据的更是凤毛麟角。
这次观测证实,在宇宙仅7.3亿岁时,已经有足够多的恒星完成了生命周期,形成了黑洞并向星际空间抛洒重元素。这些快速旋转的大质量恒星在坍缩时产生的黑洞可能是超大质量黑洞的种子,后者在早期星系中心快速成长为数百万甚至数十亿太阳质量的庞然大物。红移7以上类星体的发现表明,这些超大质量黑洞在宇宙很早就已存在,而GRB 250314A提供了它们形成机制的线索。
下一步探索
SVOM卫星在全面科学运行仅数月后就探测到GRB 250314A,展示了其探测能力和快速触发全球后续观测的协调机制。法国国家空间研究中心和中国国家航天局的这项合作正在改变瞬变天文学的游戏规则。卫星每天扫描整个天空,一旦探测到伽马射线暴,就自动计算位置并向全球数十个观测站发送警报,整个过程在几分钟内完成。
参与GRB 250314A观测的国际团队已经获得了韦伯望远镜更多观测时间,计划建立高红移伽马射线暴和超新星的样本。关键问题是,GRB 250314A是特例还是早期宇宙的典型代表?如果更多观测显示类似的成熟特征,那么第三星族恒星的理论模型需要重大修正。如果它确实是异常值,那么它的特殊性本身就能揭示早期恒星形成的多样性。
天文学家特别希望在红移8到10的范围内探测到更多伽马射线暴。这个时期对应宇宙年龄5到6亿年,正是第一代恒星开始形成和爆炸的时代。如果能观测到真正的第三星族恒星超新星,它们的光谱和光度应该与GRB 250314A有明显差异,从而直接检验早期恒星理论。
技术瓶颈仍然存在。即使是韦伯望远镜,观测红移7以上的超新星也在其能力极限。余辉迅速变暗,宿主星系极其暗弱,需要长时间曝光才能获得足够的光子。而伽马射线暴本身是随机事件,无法预测何时何地发生。SVOM每年能探测到约70个伽马射线暴,但其中红移超过7的可能只有一两个。建立有意义的样本需要多年持续观测。
从10秒钟的闪光到改写宇宙历史,GRB 250314A展示了现代天文学多波段、多设备协同观测的威力。从空间伽马射线探测器到地面大型望远镜,从快速光学光谱到深度红外成像,每个环节都不可或缺。当来自131亿年前的光子最终落入人类的探测器,它们带来的不仅是距离记录,更是对宇宙早期演化认知的根本性挑战。第一代恒星可能没有我们想象的那么原始,早期宇宙可能比理论预测的更加复杂和多样。这个只持续了10秒的信号,正在重写宇宙最初几亿年的故事。
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