宇宙的最大的爆炸制造了构成我们的一些元素。但在那里有另一个秘密的来源

By Robert Brose

published yesterday

The Universe

    所有或多或少比氦更重的元素都被在大爆炸和现在日子之间138亿年中产生。.

一幅显示一颗大质量恒星在诞生了一颗中子星或黑洞的超新星爆炸中死亡的插图。 (Image credit: ESO/L. Calçada)

    在大爆炸中它的“诞生”后，宇宙主要由氢和少数氦原子组成。这些是元素周期表中最轻的元素。所有或多或少比氦更重的元素都被在大爆炸和现在日子之间138亿年中产生。.

    通过核聚变过程恒星已经产生了许多这些更重的元素。然而，这只制造像铁一样重的元素。任何更重元素的创造都会消耗能量而不是释放能量。

    為解釋今天這些更重元素的存在，有必要发现能產生它们的現象。符合这个单子的一种事件类型是伽马射线暴（GRB）——宇宙中最强大的一类爆炸。这些能以我们的太阳的光度的10^18倍爆发，并被认为被几种类型事件造成。

    伽马射线暴能被细分为两类：长爆发和短爆发。长伽马射线暴被与大质量和快速旋转恒星的死亡相关。按照这一理论，在一颗大质量恒星的坍塌期间甩的快速旋转光束成以极快速度移动的狭窄射流。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的镜面检查。 (Image credit: NASA/David Higginbotham)

    短爆发只持续几秒钟。它们被认为被两颗中子星的碰撞造成——紧凑和致密的“死”星。2017年8月，一个重要事件帮助支持了这一理论。激光干涉仪引力波天文台和处女座是美国的两个引力波探测器发现了一个似乎正在来自两颗正在移动碰撞的中子星的信号。

    几秒钟后，一个被称为GRB 100817A的短伽马射线暴被探测到来自天空中同一方向。几个星期以来，地球上几乎所有的望远镜都以前所未有来努力研究它的后果指向这一事件。

    观测结果揭示了在GRB 170817A的位置有一颗千新星。千新星是一颗超新星爆炸的更暗淡的表亲。更有趣的是有在爆炸期间许多重元素被产生的证据。《自然》杂志上一项分析爆炸的研究的作者表明了这颗千新星似乎产生了两种不同类别的碎片或甩射物。一种主要由轻元素组成，而另一种由重元素组成。

    我们已经提到核聚变只能可行的在元素周期表中产生像铁一样重的元素。但有另一个可以解释千新星如何能够来产生更重元素的过程。

    快速中子俘获过程或r-过程是更重元素如铁在短时间内捕获许多中子粒子的原子核（或核心）地方。然后它们的质量迅速增长，产生远更重的元素。然而要使r-过程来工作，您需要合适的条件：高密度、高温和大量可利用的自由中子。伽马射线暴幸好来提供这些必要条件。

    然而，两颗中子星的合并就像造成千新星GRB 170817A一样的中子星是非常罕见的事件。事实上它们可能是如此罕见以至于它们不太可能成为我们在宇宙中有的丰富的重元素的来源。但长伽马射线暴呢？

一颗千新星和伽马射线暴的描画，蓝色代表被挤压的物质，红色表示被两颗中子星甩出的涡旋围绕着它们创造的合并天体的物质。  (Image credit: Aaron M. Geller/Northwestern/CIERA and IT Research Computing Services)

    最近的一项特别调查研究了一种长伽马射线暴GRB 221009。这已经被标榜为 BOAT——有史以来最亮的。这个伽马射线暴于2022年10月9日被作为一个扫荡过太阳系的强辐射脉接冲拾起。

    BOAT引发了一场与千新星类似的天文观测活动。这个伽马射线暴是之前记录保持者的能量的10倍，而且离我们如此之近以至于它对地球大气层的影响在地面上是可以测量的，可以与一场大太阳风暴相媲美。

    在研究BOAT后果的望远镜中有詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。它在伽马射线暴爆炸大约六个月后观测了它，如此以免被最初爆发的余辉盲目。詹姆斯·韦伯太空望远镜收集的数据显示了尽管该事件的非同寻常的亮度，但它只被一个平均的超新星爆炸造成。

    事实上，之前的其他长伽马射线暴的观测表明了伽马射线暴的亮度和与之相关的超新星爆炸的大小之间没有共相关性。BOAT似乎不例外。

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    詹姆斯·韦伯太空望远镜团队还推断了BOAT爆炸期间产生的重元素数量。他们没有发现由r过程产生的元素的表明。这是令人惊讶的，因为从理论上讲一个长伽马射线暴的亮度被认为与它核中的条件相关联，最可能是黑洞。对非常明亮的事件，尤其是像BOAT这样极端的事件，对r过程来发生条件应该是刚好的。

    这些发现提示伽马射线暴对宇宙重元素的关键来源可能不是希望。相反，在那里一定仍然有一个或多个来源。