利用伽马射线爆发探索韦伯发现的恒星形成过剩的起源

詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)取得了许多值得注意的成就，也解开了不少谜团，其中包括在遥远的宇宙中发现比预期更多的明亮星系。尽管科学家们仍在争论这些过剩星系的数量，但一个研究小组提出，伽马射线爆发可以作为强有力的探测器来检查过剩星系，这也可以观察遥远早期宇宙中恒星和星系的形成。

詹姆斯·韦伯太空望远镜最近观测到了迄今为​​止观测到的最遥远的星系，该星系形成于宇宙大爆炸后仅3亿年。它现在位于可观测宇宙的最远边缘，那里的物体正以接近光速的速度退去。

由于这些物体相对于地球的传播速度如此之快，因此当它们发出的光到达地球时，会发生明显的红移。它们的波长被拉长，因此比发射时明显变大，这被称为多普勒效应(我们很熟悉这种现象，因为当车辆远离我们的耳朵时，声音频率会发生偏移)。

观测到的波长与发射的波长之比称为z因子，这是天文学家和天体物理学家广泛使用的参数。

观测到的最远星系的z因子为14.32。詹姆斯·韦伯太空望远镜还发现，z为10或更大的星系比根据较低z值推断的星系数量要多。(此处，“明亮”是指紫外线;z=10对应的退行速度为光速的98.4%)。

詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)观测到的超量明亮恒星形成率。纵轴表示单位体积的速率，横轴表示红移参数z，即距离的度量。黑色曲线来自JWST之前的时代。红色三角形表示通过JWST获得的恒星形成率的下限。红色实线表示JWST确定的超量恒星形成率。图片来源：TatsuyaMatsumoto

人们提出了各种解释来解释这种过剩现象，比如活跃的恒星形成和头重脚轻的初始质量函数，从而产生更多的紫外线辐射，但其原因仍不清楚。这是一个重要的问题，因为紫外线光度光谱包含了这些星系的聚集历史、它们的恒星形成活动以及遥远宇宙的恒星群的关键信息。

日本京都大学的松本达也(TatsuyaMatsumoto)与同事一起探索了高z伽马射线爆发解释明亮恒星和星系形成过剩起源的可能性。他们的研究成果发表在arXiv预印本服务器上，并已提交给《天体物理学杂志快报》。

他们使用了爱因斯坦探测器获取的数据，爱因斯坦探测器是一架主要由中国于2024年1月发射的太空X射线望远镜。爱因斯坦探测器配备了宽X射线望远镜，有利于观测高z伽马射线爆发;它最近观测到了az值为4.859的伽马射线爆发。

松本表示，如果JWST超量现象的潜在原因之一是“这些星系中的恒星形成效率更高，那么伽马射线暴应该会更频繁地发生，并且可以被爱因斯坦探测器探测到。”特别是，他们发现“伽马射线暴形成率在z=10或更高时会有不同的行为，爱因斯坦探测器或未来的伽马射线暴任务对该速率的探测将阐明JWST超量现象的原因。”

伽马射线暴是宇宙中的爆炸性事件，事实上，它是宇宙中最明亮、最极端的事件。伽马射线暴持续时间从大约十毫秒到几个小时不等，据信当恒星变成超新星然后内爆时，会释放出强烈的辐射。(其他伽马射线暴似乎是由两颗中子星合并产生的。)伽马射线暴极其罕见，每百万年每个星系只有几次伽马射线暴，而且观测到的大多数伽马射线暴距离我们数十亿光年。

典型的伽马射线暴(GRB)在短短几秒钟内释放的能量相当于太阳在其整个一百亿年生命周期中释放的能量。如果这样的爆发发生在银河系，并且其喷流直接指向地球，它将终结地球上的大多数生命。GRB有两种类型：“短”，持续时间少于2秒，以及“长”，持续时间超过2秒。短GRB占所有GRB的约30%，长GRB占70%。

由于以前可用的探测器的限制，早期宇宙中的伽马射线暴数量一直受到限制。为了克服这个问题，松本和他的团队开发了一种复杂的分析关系，该关系反映了伽马射线暴形成率随z变化的变化，即随着时间回溯到早期宇宙。他们写道：“由于长伽马射线暴是由大质量恒星的坍缩产生的，因此它们可以探测宇宙高z处的恒星形成活动，直接追踪恒星形成的历史。”

重要的是，他们发现，红移GRB的分布取决于JWST过剩的潜在原因。如果过剩是由固有恒星形成率的升高引起的，则红移分布将在z处显示约10或更大的过剩。如果初始质量函数向头重脚轻的转变导致JWST过剩，则红移分布也会显示过剩，但程度不同。如果其他影响导致JWST过剩，例如来自活跃星系核的贡献，则分布将平稳地推断出az超过10。

更多的GRB数据应该可以解释超量的原因。松本说：“除了爱因斯坦探测器之外，未来的任务，如HiZ-GUNDAM，也将探测伽马射线爆发，加深我们对早期宇宙的理解。”