奇特的长伽马射线爆发来自合并的恒星尸体

By Robert Lea

2022/12/10

Science & Astronomy

这次合并引发了一个叫千新星的爆炸。

科学家们已经追踪到了一次高能辐射回到两颗中子星的碰撞和源自这次剧烈合并的千新星爆炸。

这一发现可能改变有关宇宙的最强大爆炸起源的理论。

领导该研究的西北大学物理和天文学系的博士生吉莉安·拉斯廷贾德在一份声明中说，“这一事件代表对伽马射线爆发天文学一个令人兴奋的范式转变”。

 艺术家的合并中子星产生一个千新星的描绘。(Image credit: Dreamstime)

2021年12月探测到了一个来自11亿光年远地方叫一个长伽马射线暴（GRB）的强大的50秒的高能辐射爆炸，这促使天体物理学家寻找它的低能量余辉。

一个长伽马射线暴余辉的令人难以置信亮但迅速褪去的光的爆发往往预示着一颗超新星，当一个大质量恒星死亡时一个强大的爆炸引发了。但在这个叫GRB 211211的伽马射线暴情况下，团队发现了余辉被一个千新星跟随，千新星是一种罕见的被认为仅当一颗爆炸的恒星的密集残骸中子星与另一个中子星或黑洞合并时发生的宇宙爆炸。

这一系列事件的发现可能推翻长伽马射线暴仅仅被大质量恒星在它们的核燃料燃烧生命末期的坍塌创造的理论。

此外，因为中子星的合并被怀疑来锻造宇宙中的重元素如黄金，这一发现可能帮助揭示重金属如何以及在哪里被锻造。

拉斯廷贾德说，“这个事件看起来不像我们以前从长伽马射线暴中看到的任何东西，它的伽马射线类似于那些被大质量恒星坍塌产生的爆发。鉴于我们已经观察到的所有其他已确认的中子星合并已经被伴随有持续不到两秒的爆发，我们有每一个理由来预期这50秒的伽马射线暴被一个大质量的恒星坍塌创造”。

但原来这并不是这次的原因。

研究报告的资深作者西北大学物理和天文系的助理教授文法丰在声明中说，“相反我们发现了的是非常不同的，当我15年前进入这个领域时，长时间伽马暴来自大质量恒星的坍塌被确凿固定。这一意想不到的发现不仅代表在我们的理解中的一个重大转变，而且令人兴奋地为发现打开了一个新的窗口”。

 一个千新星和一个伽马射线爆发的描画，蓝色代表被压缩的物质，红色表示被两颗中子星围绕它们创造的合并物体涡旋甩出的物质。 (Image credit: Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA and IT Research Computing Services)

长伽马射线爆发指向短千新星

被考虑为是宇宙的最亮和最高能量的爆炸，伽马射线暴传统上被分为两类：那些持续时间少于两秒的被认为是短的伽马射线暴，而那些持续时间更长的被归类为长伽马射线暴。

短伽马射线暴以前已经被与中子星合并关联，但这些合并已经被排除出为长伽马射线暴的起源，只是因为这些密包的恒星残余有约太阳的质量或略更大，被认为拥有太少的物质来提供这样的爆发。

因此，科学家们相信这些在两秒分线两侧的能量的爆发一定有分开的起源。

巨星的坍塌被摆出为一个长伽玛射线暴的原因，因为这些巨大恒星能有相当于数十个甚至数百个太阳的质量。随这些恒星为核聚变耗尽燃料，外向的压力平衡反抗引力的向内压力停止。这造成大量的这种物质向内冲入来创造并滋养一个新生的黑洞并以一个超新星标志的暴力事件。

剩下的物质被这个黑洞的磁场抓住并以接近光速发射进太空，这样为一个长伽马射线暴提供动力。

拉斯廷贾德说，“当你把两颗中子星放在一起时，在那里真的没有多的质量。一点点质量的吸积，然后提供一个非常短时间的爆发的力量。在大质量恒星坍塌的情况下，传统上为更长的伽马线爆发提供能量，有一个更长的吃食时间”。

起初，研究人员并没有怀疑关于50秒的GRB 211211A有任何异常的东西，或者任何可能改变这些起源理论的东西。距离地球11亿光年远，对这样的事件长伽马射线暴相对近，允许团队用一系列的望远镜和不同波长的光来研究它。

随他们这样做，他们发现了一个微弱的在近红外图像中迅速褪色的天体。因为超新星不会迅速消退而且比这个天体远更亮，天文学家们意识到他们已经发现了一些意想不到的东西。

丰说，“在我们的夜空中有很多天体很快的褪色，我们在一个不同的滤镜中成像一个源来获得颜色信息，这帮助我们确定源的身份”。

在这个案例中，红色占了上风而蓝色褪色得更快。丰说，“这种颜色的演变是一个千新星的告密的签名，而千新星只能来自中子星的合并”。

按照一份声明，在发表在另一第二篇论文中的附加研究用建模来分析事件并匹配一个千新星的信号同流发生。

错误的星系

长伽马射线暴似乎已经被中子星合并的千新星触发并不只是关于GRB 211211A不寻常的东西；先于此类事件的知识提出它处在星系的错误类型中。

这次高能爆炸被追溯到一个年轻而相对小的叫SDSS J140910.47+275320.8的恒星形成星系，这个星系的属性几乎与当地宇宙中其它已知的中子星合并宿主星系NGC4993完全相反，一个大质量的红和死的宿主星系。

研究的合著者西北大学的研究生安雅·纽金特这样说SDSS J140910.47+275320.8，“这个星系相当年轻，积极的恒星形成，实际上不是那么大质量的。事实上，它看起来更像是在更深宇宙中看到的短快速射电暴宿主一样”。

现在天文学家对寻找什么有一个更好的想法，纽金特认为这些发现应该改变当天文学家寻找附近的千新星时观望的星系类型。

拉斯庭嘉德说，“千新星被宇宙中一些最重元素的放射性衰变驱动。但千新星很难被观察到，而且很快就会褪去。现在，我们知道我们也能用一些长伽马暴来寻找更多的千新星”。

这一发现还可能改变天文学家狩猎铂和金等重元素的方式，对它们明显的创造迹象目前飘忽不定的。建模工作提出像这样一个事件会已经产生大量的重元素。

英国伯明翰大学的天体物理学家马特·尼科尔在一份声明中说，“我们发现了这一事件产生了大约是地球的质量的1000倍的重元素。这支持这样一种这些千新星是宇宙中主要黄金工厂的想法”。

詹姆斯·韦伯太空望远镜从7月开始将图像发射回地球，可以帮助狩猎在爆炸之后发现这样的签名。

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詹姆斯韦伯太空望远镜能捕捉到包含不同元素指纹的遥远天体的光谱。因此，天文学家用太空望远镜可以结论性的识别重元素的创造场所------对甚至最复杂的地球望远镜一个已经证明太具挑战性的任务。

拉斯庭嘉德说，“不幸的是，甚至最好的地面望远镜也不够敏感到执行光谱学研究。用詹姆斯韦伯太空望远镜，我们可以已经获得一个千新星的光谱。这些光谱线提供直接的你已经检测到了最重的元素的证据”。

周三（12月7日）发表在《自然》杂志上的两篇论文描述了这项研究。

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