超大质量第三星族星高红移爆发的多波段观测特征：JWST、EUCLID和罗曼空间望远镜的联合探测

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Signatures of Exploding Supermassive PopIII Stars at High Redshift in JWST, EUCLID and Roman Space Telescope

本研究针对红移z~9-11处发现的超大质量黑洞（SMBH）形成难题，提出通过超富气环境快速吸积形成的超大质量第三星族星（SMS）坍缩并爆发的新通道。团队开发半解析模型，计算了爆发抛射物与稠密星周介质（CSM）相互作用产生的激波辐射，发现SMS爆发光变曲线亮度达1045–1047 erg/s，持续10–200年（源系框架），且因宇宙时间膨胀效应可被观测数千年。结果表明，此类爆发在JWST长波滤光片中最远可探测至z≤20，而EUCLID和罗曼望远镜可覆盖z<11–12的深场巡天，有望约束SMS爆发率至10–11 Mpc–3 yr–1，为早期宇宙黑洞种子形成机制提供关键观测约束。

　　

在詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）开启高红移宇宙观测新时代的今天，天文学家们意外发现了一批红移z≈9–11、质量高达10⁸–10⁹ M_⊙的超大质量黑洞（SMBH）。这些“早熟”黑洞的存在对传统黑洞形成理论提出了严峻挑战——若它们源自第一代恒星（第三星族星，PopIII）坍缩后的恒星质量黑洞种子，即使持续以超爱丁顿速率吸积，也难以在宇宙年龄仅5亿年时增长至如此规模。

为解决这一难题，研究者将目光投向一种特殊的天体：在原子冷却晕（ACH）中通过快速吸积（≥1 M_⊙/yr）形成的超大质量第三星族星（SMS）。这类恒星质量可达10⁵–10⁶ M_⊙，最终会因广义相对论不稳定性（GRI）触发坍缩。近年模拟表明，坍缩过程可能通过黑洞-环系统反弹或核燃烧释放巨大能量，抛射出速度达0.2c、质量数千倍太阳质量的物质。这些抛射物与周围稠密星周介质（CSM）碰撞产生激波，成为明亮的电磁辐射源。

为量化这一过程的观测特征，Cédric Jockel团队构建了包含激波动力学、辐射扩散和CSM相互作用的半解析模型。模型以广义相对论数值模拟提供的初始条件为基础，计算了不同SMS质量、爆炸能量和CSM密度下的光变曲线与能谱演化。

关键技术方法

研究通过求解相对论性激波跃迁条件与辐射扩散方程，模拟抛射物与ρ_CSM∝r^–2的等温晕介质相互作用；采用薄壳近似追踪激波壳层动量、质量与能量演化；引入热平衡系数η判断辐射场是否偏离黑体谱；结合JWST、EUCLID和罗曼望远镜的滤光片响应函数与宇宙中性氢吸收修正，计算了红移z=7–20的AB星等演化。

研究结果

1. 光变曲线与辐射特性

模拟显示，SMS爆发光变曲线呈现典型双峰结构：初始激波突破峰值后，进入持续10–200年的光学厚激波主导阶段。对于辐射热平衡（η<1）模型，激波壳层有效温度在氢电离温度T_ion≈6000 K附近形成“重组平台”，光度随激波半径扩大而增强；而非热平衡（η>1）的高能模型则因光子匮乏导致谱线蓝移，峰值光度达10⁴⁷ erg/s。

2. 多波段观测前景

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JWST长波滤光片（如F444W）可探测z≤20的SMS爆发，而EUCLID和罗曼望远镜的宽场巡天能覆盖z<11–12的样本。值得注意的是，由于宇宙时间膨胀效应，源系框架下数十年的光变在观测系中被拉伸至千年尺度，使其在单次巡天中呈现“类持久源”特征，易与小红点（LRD）或活动星系核（AGN）混淆。

3. 光谱鉴别特征

SMS爆发光谱具有金属贫乏（Z<10^–5 Z_⊙）、氢氦线主导、多普勒展宽（≈3000 km/s）及可能存在的P-Cygni轮廓等特征。CSM的电离状态会进一步影响巴尔末跳变强度：高光度模型可通过巴尔末连续谱光子完全电离CSM，降低尘埃衰减效应。

4. 爆发率与探测预期

基于宇宙恒星形成率与Salpeter初始质量函数估算，EUCLID深场巡天可探测到数百个z≈7–12的SMS爆发事件，对爆发率的约束灵敏度（10^–11 Mpc^–3 yr^–1）比JWST深场提高3个量级。若部分LRD实为SMS爆发，其约0.1%的误认率仍可能掩盖重要科学发现。

结论与意义

本研究首次系统揭示了GRI触发SMS爆发的多波段观测特征，指出其作为“准持久源”在高红移巡天中被低估的潜力。通过EUCLID和罗曼望远镜的时域巡天，有望直接探测到早期宇宙黑洞重种子形成的关键证据，并为解释JWST发现的超高红移SMBH提供新路径。未来需结合辐射磁流体力学模拟与多波段光谱随访，进一步区分SMS爆发与AGN/LRD的谱线特征，从而揭开宇宙第一代恒星与黑洞共演的奥秘。