科学家识别“所有时间最亮的”的起源——所有时间最亮的宇宙爆炸

By Robert Lea

2024/4/13 

The Universe

 “当我们确认被一颗大质量恒星的坍塌产生的伽马射线暴时这给了我们一个来检验宇宙中一些最重的元素如何被形成的假说的机会” 。

一个发射了“所有时间最亮的”的超新星的描画，自大爆炸以来最强大的宇宙爆炸的伽马射线爆发。 (Image credit: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services.)

用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），科学家们已经终于解决了“所有时间最亮的”的神秘起源，可能的自大爆炸以来最大的宇宙爆炸。

所有时间最明亮的伽马射线爆发（因此缩写为“BOAT”）似乎已经被一个位于大约240万光年外的一颗大质量恒星的死亡和坍塌伴随的超新星爆炸发射。这是一个可能也导致了一个黑洞的诞生的事件。

然而通过解决这个宇宙秘密，天体物理学家团队又打开了另一个天体难题。这是因为会期待围绕这种超新星萦回的像金和铂一样重元素的痕迹在任何地方没有被发现。

西北大学科学家、团队负责人彼得·布兰查德在一份声明中说，“这是一个地球每一万年才看到一次的事件，事件产生了一些被设计来探测伽马射线的卫星记录到的最高能量光子” 。

布兰查德补充说，“当我们确认伽马射线暴被一颗大质量恒星的坍塌产生时这给了我们来检验宇宙中一些最重元素如何形成的假说的机会。我们没有看到这些重元素的签名，提示像所有时间最亮的一样的极端高能的伽马射线暴不产生这些元素” 。

科学家们没有错过所有时间最亮的

所有时间最亮的正式被定名为GRB 221009A，于2022年10月9日首次被发现，由于它的极端性质它立即的从其他伽马射线暴鹤立鸡群。天文学家发现它就像一道猛亮的高能伽马射线闪光一样被一个跨许多波长的光逐渐消退的余辉跟随。

由伽马射线和X射线望远镜首次发现的强大的伽马射线暴，包括美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜和尼尔·格雷尔斯·斯威夫特天文台。在所有时间最亮的的初始探测后，被敬畏打击的天文学家们争先恐后来发现它的潜在来源。他们将他们的望远镜指向射手座的方向，相信这就是答案一定位于的地方。

所有时间最亮的的发现者之一、西北大学物理学和天文学副教授、冯小组组长冯文法在发现时说，“只要我们已经能够来探测伽马射线暴，毫无疑问这个伽马射线暴以一个10倍或更多是我们从来目睹的最亮的伽马射线暴”。

然而，布兰查德和他的同事们并没有匆忙来追赶这个“所有时间最亮的”。

相反，他们要观望所有时间最亮的随它演变并在它的后期阶段跟踪它。因此，他们在它被首次发现大约六个月后靠衰退的伽马射线爆训练了詹姆斯韦伯太空望远镜。

被斯威夫特 X射线望远镜在它爆发约一小时后观测到的从来见过的最亮伽马射线爆发。(Image credit: NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester))

布兰查德说，“伽马射线暴是如此明亮以致在爆发后的头几周和几个月里它模糊了任何潜在的超新星签名，在这些时间，所谓的伽马射线暴的余辉就像一辆汽车的前灯直接射向你，阻止你看到汽车本身”。

“因此我们不得不等待它重大的消退来给我们一个看到这颗超新星机会” 。

布兰查德和同事们用詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）观测了所有时间最亮的的红外余辉。这揭示钙和氧等元素的签名，所有这些都是超新星的特征。

然而，令人惊讶的是即便所有时间最亮的是从来探测到的最强大的宇宙爆发，但创造它的超新星实际上似乎对如此一个爆炸的恒星死亡是相当平均的。

布兰查德说，“它并不比以前的超新星更亮。在与更少高能的伽马射线暴相关的其他超新星的背景中它看起来相当正常，你可能期望同一颗产生非常高能和明亮伽马射线暴的坍塌恒星也会产生一个非常高能明亮的超新星。但原来是不是这种情况。我们有这种极其明亮的伽马射线暴，而是一颗正常的超新星”

如果有这样一个东西，一个“正常超新星”的描画。(Image credit: Melissa Weiss/CfA)

该团队目前还不确定一颗“正常”的超新星如何可能已经创造质量大的像所有时间最亮的一样的能量的爆炸。

研究小组成员、犹他大学物理学助理教授塔茂义拉斯卡尔认为，极端伽马射线暴可能是由坍塌的大质量恒星随它们创造黑洞发射的近光速喷射的形状和结构。如果一颗大质量恒星当它坍塌时快速的旋转，那么它炸出的光束是窄的，然后更被聚焦这样更明亮。

拉斯卡尔说，“这就像把手电筒的光束聚焦成一个狭窄的柱子而不是一束刷过一个整面墙的宽光束一样，事实上这是迄今为止看到的伽马射线爆发最窄的喷射之一，这给我们一个至于为什么余辉看起来如此明亮的暗示”。

“也可能还有其他因素，一个研究人员将在未来几年研究的问题” 。

此外，这颗超新星的另一个方面将担保远更深入的调查不是某些它有的东西而是那些它出现缺乏的。

缺失的元素

恒星的心脏就像恒星熔炉一样将轻元素聚变在一起来创造越发更重的元素。这个过程形成一直到铁的元素，但在那之后甚至质量最大的恒星挣扎来聚变更重的元素如金和铂。

多年来，科学家们已经怀疑这些相对更重的元素当被称为中子星的巨大密度的死恒星一起粉碎时被创造，詹姆斯韦伯太空望远镜最近在帮助证实这一理论中起一个关键角色。

而研究人员也认为围绕能够发射伽马射线暴的超新星创造的极端环境可以促进中子的“快速捕获”或锻造黄金等元素的“r-过程”。这一猜测的理由是仅中子星碰撞似乎太罕见不能创造科学家在早期宇宙中看到的比铅更重的元素。

两颗中子星碰撞和合并来创造一个千新星爆炸一定来锻造重元素的描画。(Image credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

布兰查德说，“可能还有另一个来源。双星中子星来合并要用很长时间。双星系统中的两颗恒星首先必须爆炸来剩下中子星。然后，这两颗中子星可能要用数十亿年时间来慢慢越来越近并最终合并，但非常古老的恒星的观测表明在大多数双星中子星会有时间合并之前，宇宙的部分被增富有重金属”。

“这正将我们指向另一个渠道。”

另一种替代的通道已经被理论化是一颗快速旋转的大质量恒星的坍塌，科学家们现在已经证实发射了所有时间最亮的的刚好事件类型。

使用詹姆斯韦伯太空望远镜，该团队能够窥视进这颗超新星的深层，在那里比铁更重的元素应该被锻造。布兰查德说，“恒星的爆炸物质在早期是不透明的，因此你只能看到外层，但一旦它膨胀和冷却，它变得透明的。然后，你能看到来自超新星内层的光子正在来到。此外，不同的元素依靠它们的原子结构吸收和发射不同波长的光子，赋予每个元素一个唯一的光谱签名” 。

这意味着观察一个天体的光谱能告诉天文学家什么元素是存在的。

布兰查德说，“靠检查所有时间最亮的的光谱，我们没有看到任何重元素的签名，提示像GRB 221009A这样的极端事件不是主要来源，这是至关重要的信息，因为我们继续尝试来定下最重元素的被形成的地方” 。

来自围绕一个坍塌的大质量恒星的稠密环境爆发的一个伽马射线的例子。 (Image credit: NASA, ESA and M. Kornmesser)

布兰查德还说，没有探测到围绕所有时间最亮的的超新星源的重元素并不意味着科学家们刚好又应该放弃研究重元素产生的伽马射线暴通道。

他说，“这并不意味着所有的伽马射线暴都不会产生它们，但这是我们继续来了解这些重元素来源的地方的关键信息片，未来用詹姆斯韦伯太空望远镜的观测将确定是否所有时间最亮的的‘正常’表亲产生这些元素” 。

除了了解更多关于所有时间最亮的的并用詹姆斯韦伯太空望远镜确认它的起源外，该团队还能够来探测到该事件的宿主星系中一轮激烈恒星形成的签名。这表明了死了来诞生所有时间最亮的的恒星可能已经在一个与其他超新星不同的环境中形成了。

这个星系的一个方面可能帮助进一步解开所有时间最亮的的秘密是它出现有一个比氢或氦更重的低浓度元素，天文学家叫这个为“金属”

团队成员、宾夕法尼亚州立大学研究生李毅佳在声明中说，“这是所有时间最亮的的另一个独特方面，可能帮助解释它的属性”。

Related Stories:

— 300 gamma-ray-blasting neutron stars found in massive haul — and some are 'spider pulsars'

— Pulsar surprises astronomers with record-breaking gamma-rays

— The elusive origins of long gamma-ray bursts may finally be revealed

布兰查德总结道，“我们很幸运生活在一个当我们有来检测跨宇宙发生的这些爆发的技术时的时代。来观测像所有时间最亮的这样罕见的天文现象并工作来了解这一特殊事件背后的物理学真是令人兴奋” 。

这项研究于星期五（4月12日）发表在《自然天文学》杂志上。