天文学家捕捉到一个死恒星的超高能碰撞

By Keith Cooper 

2022/8/6

Science & Astronomy

恒星撞击产生了一个短暂的伽马射线暴，可以提供理解类似爆炸的重要背景。

按照由智利的阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列的新观测，一次遥远的中子星合并释放了从来见高的最强大的短伽马射线暴（GRB）之一。

中子星是大质量恒星爆炸后留下的超密恒星核，当两颗中子星碰撞时，结果是一个急剧的爆炸，爆炸的光被称为千新星。合并还释放引力波和两个向太空发射相反方向的紧密喷射的伽马射线辐射的短暂爆炸。

2021年11月6日，欧洲航天局的INTEGRAL X射线和伽马射线天文台检测到了一次短暂的伽马射线暴，该天文台发出一个触发了美国宇航局的斯威夫特卫星等来跟进的即时警报。这次爆破编目为GRB 211106A，持续了不到两秒钟，但来自千新星的余晖随合并释放的粒子射流激发了周围的气体闪耀的远更长时间。

伊利诺伊州西北大学的天文学家冯文发在一份声明中说，“这次短暂的伽马射线暴是我们第一次试图用阿塔卡玛来观测这样一个事件，短时间的余晖是很难过来的，因此来捕捉这种如此明亮的闪耀是壮观的”。

艺术家的一个中子星合并（左图）的印象，该合并产生一个与周围环境中的气体相互作用的相对论粒子射流，产生一个余辉。(Image credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Weiss (NRAO/AUI/NSF))

从阿塔卡玛被调谐的毫米波长光中探测合并的余辉给天文学家一个当到了解这些巨大爆炸时的优势。

同样来自西北大学的日内威孚施罗德尔在同一份声明中说，“毫米波长能告诉我们关于伽马射线暴周围环境的密度，而且当与X射线结合时 [毫米波光]能告诉我们这次爆炸的真实能量”。

随伽马射线暴的射流以接近光速的速度移动，撞击过周围的气体，冲击波加速电子。来自这些电子的辐射能量在毫米波长达到峰值，因此能告诉天文学家关于爆炸的总能量。

阿塔卡玛的测量提出GRB 211106A释放了一个在2 x 10 ^ 50 尔格（ergs）和6 x 10 ^ 51尔格之间的总能量，这把它放在从来探测到的最强大的短伽马射线暴之中。（一个尔格等于10^-7焦耳，相比之下，太阳每秒只释放3.8 x 10^33尔格）。 

艺术家的两颗中子星在碰撞前的描画。 (Image credit: NASA/Goddard Space Flight Center)

特别令人印象深刻的是GRB 211106A是如此明亮，相对而言，因为这次合并发生在63至91亿年前之间的某个时候，并且，其中发生合并的星系由于宇宙膨胀现在距离地球约200亿光年远。在这个距离上，由合并释放的引力波太弱不能探测到。

用来自阿塔卡玛观测的另一个优点是毫米波长的余辉比X射线的余辉持续时间更长。这给天文学家更多的时间来研究伽马射线暴射流，它开始作为一条狭窄的流，然后逐渐打开出去，就像一个激光指示器在墙上形成比激光底座更大的点一样。

冯和施罗德尔的团队计算出射流的开口角度为16度，这是从来测量的一个短伽马射线暴的最宽的。这是重要的，因为我们只有当喷射被指向我们时看到伽马射线暴，因此喷射越宽，我们有看它的机会就越大。

而赔率很重要：天文学家基于我们看多少短伽马射线暴并估计它们的喷流的开口角计算宇宙中中子星合并的速率。如果更短的伽马射线暴射流有更宽的开口角，科学家们可能已经高估了多少中子星合并正在发生。

中子星合并的速率不仅仅只是一个天体物理学的好奇心，它对宇宙化学有影响。中子星合并期间的条件是如此强烈以至于宇宙的一些最重和最珍贵的元素如金、铂和银都被这些碰撞锻造。真的，科学家们已经估计，一次中子星合并能产生3到13个地球质量之间的黄金。因此，这些元素的宇宙丰度重重的取决于中子星合并发生的速率。

虽然这次碰撞是一个宇宙炼金术的行为，用原子宝藏丰富周围的区域，但这一发现已经为天文学家提供了一个研究短伽马射线暴及其余辉的全新舞台。冯说，“在十年的观测短伽马射线暴后，来目睹用这些新技术从宇宙中解开惊喜礼物的力量真的惊人的”。

一篇描述这些发现的论文将发表在即将出版的《天体物理学杂志快报》上，一个预印版本8月1日投递