作者:文乐乐 来源: 中国科学报 发布时间:2024-4-16
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史上最亮伽马射线暴来自坍缩恒星

 

被称为坍缩星的超新星会留下一个黑洞,从地球上看,这个黑洞会喷出一股伽马射线暴。图片来源:AARON M. GELLER

本报讯 2022年10月,一股伽马射线袭击了地球,炙烤着大气层,它的亮度是以往探测到的任何射线的10倍以上,令天文学家惊叹不已。作为有史以来最亮的伽马射线暴(GRB),天文学家给它起了个形象的名字——BOAT(brightest of all time,即史上最亮)。现在,天文学家利用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)确定了GRB的来源,并偶然发现了一个新谜题。

正如理论学家预料的那样,爆发的动力来自一颗被称为坍缩星的超新星—— 一颗快速旋转的巨大恒星,随着燃料耗尽并坍缩,外层被炸入太空,最后消失在黑洞中。

据《科学》报道,研究人员认为,坍缩星产生的极端条件可能会形成自然界最重的一些元素,如铀、铂和金。考虑到BOAT的亮度,他们希望元素形成的过程能够生动地展示出来。然而,研究人员却什么也没看到。

“没有证据表明存在这些元素。”领导这项研究的美国西北大学Peter Blanchard说。4月12日,相关成果发表于《自然-天文学》。

最近的其他研究也显示了同样令人困惑的结果。但理论学家表示,现在就否定坍缩星是最重元素的来源为时过早。“我认为还没有定论。”英国赫特福德大学Chiaki Kobayashi说,“我们只是没有足够的统计数据。”

宇宙大爆炸带来了丰富的氢和氦,但其他92种自然元素都是在恒星的原子核融合成更大原子核时形成的。普通恒星产生较轻的元素,但比铁重的元素被认为需要在超新星或其他极端爆发事件中产生。

一半的重元素——那些中子最丰富的元素,需要特殊的产生条件。在这种条件下,中子轰击种核的速度非常快,以至于后者没有时间衰变——这个过程被称为快中子捕获或r过程。科学家通过追溯发现,早期宇宙的恒星含有铕等r过程元素,表明该过程很早就开始了。Kobayashi说:“通过对附近恒星的观测,我们获得了证明早期r过程的非常有力的证据。”这迫使天文学家努力寻找可能存在r过程的必要条件。

引力波探测器则提供了线索。2017年,当美国和欧洲的探测器探测到两颗中子星(超高密度恒星残骸)剧烈合并产生的波时,光学望远镜发现了r过程元素形成的证据。据估计,这次爆发产生了相当于10个地球质量的金和铂。但是天文学家认为,中子星合并太罕见了,不可能成为r过程元素的主要来源。

坍缩星似乎是最好的选择。坍缩星比中子星合并更常见,但仍然罕见,只有几十颗被观测到。这需要坍缩星足够大,以使超新星爆发后留下的核心最终坍缩成黑洞。快速旋转也是关键,这样剩余的物质就会旋转进入吸积盘。当黑洞吸入圆盘中的物质时,它会被加热到极端温度,产生辐射并释放粒子,从而创造r过程所需的条件。

这些条件也是产生喷流的关键,喷流是指接近光速从黑洞两极射出的粒子束。当喷流正好指向地球时,天文学家会看到GRB。Blanchard说,就BOAT(官方编号GRB 221009A)而言,GRB的余辉非常明亮,以至于在最初爆发12天后,用JWST观察这一事件的另一个团队无法看到这颗超新星。

Blanchard团队一直等到6个月后,此时余辉消失,膨胀的物质外壳被分散,足以让JWST看到黑洞附近,那里预计会发生r过程。令团队成员惊讶的是,考虑到BOAT的亮度,坍缩星的残余物看起来并不是特别大。但更令人惊讶的是,当他们检查光谱时,没有看到碲、硒和铷等r过程元素的发射线,而它们在JWST敏感的中红外波长范围内是很明显的。

Blanchard说,GRB 221009A可能是不寻常的,因为它产生了如此极端的GRB。它还位于一个缺乏重元素的星系中,这与通常发现GRB的星系不同。尽管如此,重元素缺乏仍是令人惊讶的,因为GRB 221009A是探测r过程的主要候选者。

今年2月发表的另一项研究在25个潜在坍缩星样本中也发现了类似的无效结果。

Kobayashi并不担心未检测到的情况。根据她的计算,只有千分之一的超新星能够产生r过程。“观测者需要发现更多的超新星事件。”她说,“出现非常有力的证据可能还需要等待一段时间。”(文乐乐)

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41550-024-02237-4

《中国科学报》 (2024-04-16 第2版 国际)
 
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