史上最亮伽馬射線暴來自坍縮恒星

王方

2022年10月，一股伽馬射線襲擊了地球，炙烤著大氣層，它的亮度是以往探測到的任何射線的10倍以上，令天文學(xué)家驚嘆不已。作為有史以來最亮的伽馬射線暴（GRB），天文學(xué)家給它起了個形象的名字——BOAT（brightest of all time，即史上最亮）?，F(xiàn)在，天文學(xué)家利用美國國家航空航天局的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）確定了GRB的來源，并偶然發(fā)現(xiàn)了一個新謎題。

據(jù)《科學(xué)》報道，研究人員認(rèn)為，坍縮星產(chǎn)生的極端條件可能會形成自然界最重的一些元素，如鈾、鉑和金?？紤]到BOAT的亮度，他們希望元素形成的過程能夠生動地展示出來。然而，研究人員卻什么也沒看到

“沒有證據(jù)表明存在這些元素。”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的美國西北大學(xué)Peter Blanchard說。4月12日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然-天文學(xué)》。

最近的其他研究也顯示了同樣令人困惑的結(jié)果。但理論學(xué)家表示，現(xiàn)在就否定坍縮星是最重元素的來源為時過早?！拔艺J(rèn)為還沒有定論?！庇仗馗５麓髮W(xué)Chiaki Kobayashi說，“我們只是沒有足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)?！?/p>

宇宙大爆炸帶來了豐富的氫和氦，但其他92種自然元素都是在恒星的原子核融合成更大原子核時形成的。普通恒星產(chǎn)生較輕的元素，但比鐵重的元素被認(rèn)為需要在超新星或其他極端爆發(fā)事件中產(chǎn)生。

一半的重元素——那些中子最豐富的元素，需要特殊的產(chǎn)生條件。在這種條件下，中子轟擊種核的速度非?？欤灾劣诤笳邲]有時間衰變——這個過程被稱為快中子捕獲或r過程?？茖W(xué)家通過追溯發(fā)現(xiàn)，早期宇宙的恒星含有銪等r過程元素，表明該過程很早就開始了。Kobayashi說：“通過對附近恒星的觀測，我們獲得了證明早期r過程的非常有力的證據(jù)?！边@迫使天文學(xué)家努力尋找可能存在r過程的必要條件。

引力波探測器則提供了線索。2017年，當(dāng)美國和歐洲的探測器探測到兩顆中子星（超高密度恒星殘?。﹦×液喜a(chǎn)生的波時，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了r過程元素形成的證據(jù)。據(jù)估計，這次爆發(fā)產(chǎn)生了相當(dāng)于10個地球質(zhì)量的金和鉑。但是天文學(xué)家認(rèn)為，中子星合并太罕見了，不可能成為r過程元素的主要來源。

坍縮星似乎是最好的選擇。坍縮星比中子星合并更常見，但仍然罕見，只有幾十顆被觀測到。這需要坍縮星足夠大，以使超新星爆發(fā)后留下的核心最終坍縮成黑洞?？焖傩D(zhuǎn)也是關(guān)鍵，這樣剩余的物質(zhì)就會旋轉(zhuǎn)進入吸積盤。當(dāng)黑洞吸入圓盤中的物質(zhì)時，它會被加熱到極端溫度，產(chǎn)生輻射并釋放粒子，從而創(chuàng)造r過程所需的條件。

這些條件也是產(chǎn)生噴流的關(guān)鍵，噴流是指接近光速從黑洞兩極射出的粒子束。當(dāng)噴流正好指向地球時，天文學(xué)家會看到GRB。Blanchard說，就BOAT（官方編號GRB 221009A）而言，GRB的余輝非常明亮，以至于在最初爆發(fā)12天后，用JWST觀察這一事件的另一個團隊無法看到這顆超新星。

Blanchard團隊一直等到6個月后，此時余輝消失，膨脹的物質(zhì)外殼被分散，足以讓JWST看到黑洞附近，那里預(yù)計會發(fā)生r過程。令團隊成員驚訝的是，考慮到BOAT的亮度，坍縮星的殘余物看起來并不是特別大。但更令人驚訝的是，當(dāng)他們檢查光譜時，沒有看到碲、硒和銣等r過程元素的發(fā)射線，而它們在JWST敏感的中紅外波長范圍內(nèi)是很明顯的。

Blanchard說，GRB 221009A可能是不尋常的，因為它產(chǎn)生了如此極端的GRB。它還位于一個缺乏重元素的星系中，這與通常發(fā)現(xiàn)GRB的星系不同。盡管如此，重元素缺乏仍是令人驚訝的，因為GRB 221009A是探測r過程的主要候選者。

Kobayashi并不擔(dān)心未檢測到的情況。根據(jù)她的計算，只有千分之一的超新星能夠產(chǎn)生r過程?！坝^測者需要發(fā)現(xiàn)更多的超新星事件?！彼f，“出現(xiàn)非常有力的證據(jù)可能還需要等待一段時間。”