2024-04-14 13:42 来源：得道网
2022年10月，包括西北大学天体物理学家在内的一个国际研究小组观测到了有史以来最亮的伽马射线暴GRB 221009A。
现在，西北大学领导的一个研究小组已经证实，造成这次历史性爆发的现象——被称为B.O.A.T.(“有史以来最亮的”)——是一颗大质量恒星的坍塌和随后的爆炸。该团队使用美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)发现了这次爆炸，或称超新星。
当这个发现解决了一个谜时，另一个谜却加深了。
研究人员推测，新发现的超新星中可能存在铂和金等重元素的证据。然而，广泛的搜索并没有发现伴随这些元素的特征。宇宙中重元素的起源仍然是天文学最大的未决问题之一。
这项研究将于周五(4月12日)发表在《自然天文学》杂志上。
西北大学的彼得·布兰查德(Peter Blanchard)是这项研究的负责人，他说:“当我们确认GRB是由一颗大质量恒星的坍缩产生的时候，这给了我们一个机会来测试一个关于宇宙中一些最重元素是如何形成的假设。”“我们没有看到这些重元素的特征，这表明像B.O.A.T.这样能量极高的伽马射线暴不会产生这些元素。这并不意味着所有的grb都不会产生它们，但这是我们继续了解这些重元素来源的关键信息。未来对JWST的观测将决定B.O.A.T.是否它的‘正常’表亲会产生这些元素。”
布兰查德是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的博士后，在那里他研究超亮超新星和伽马射线暴。这项研究的共同作者来自哈佛和史密森尼天体物理中心;犹他大学;宾夕法尼亚州立大学;加州大学伯克利分校;荷兰Radbound大学;空间望远镜科学研究所;亚利桑那大学/史都华天文台;加州大学圣巴巴拉分校;哥伦比亚大学;熨斗研究所;格赖夫斯瓦尔德大学和圭尔夫大学。
B.O.A.T.的诞生
2022年10月9日，当B.O.A.T.发出的光掠过地球时，它是如此明亮，以至于淹没了世界上大多数的伽马射线探测器。这次强大的爆炸发生在距离地球约24亿光年的人马座方向，持续了几百秒。当天文学家争先恐后地观察这一令人难以置信的明亮现象的起源时，他们立即产生了一种敬畏之情。
西北大学温伯格文理学院(Weinberg College of Arts and Sciences)物理学和天文学副教授、CIERA成员方文辉(Wen-fai Fong)当时表示:“只要我们能够探测到伽马射线暴，毫无疑问，这次伽马射线暴是我们所见过的最亮的一次，亮度是10倍或更多。”
布兰查德说:“这一事件产生了一些用于探测伽马射线的卫星所记录到的能量最高的光子。”“这是地球上每10000年才会发生一次的事件。我们很幸运地生活在这样一个时代，我们有技术来探测宇宙中发生的这些爆发。能观察到像B.O.A.T.这样罕见的天文现象，并努力了解这一特殊事件背后的物理学，真是太令人兴奋了。”
一颗“正常的”超新星
布兰查德、他的密切合作者、哈佛大学的阿什利·维拉和他们的团队并没有立即观察这一事件，而是想在GRB的后期阶段观察它。在GRB最初被探测到大约六个月后，布兰查德用JWST检查了它的后果。
“GRB是如此明亮，以至于在爆发后的最初几周和几个月里，它掩盖了任何潜在的超新星特征，”布兰查德说。“在这些时候，所谓的伽马射线暴余辉就像一辆汽车的前灯直射向你，让你看不到汽车本身。所以，我们必须等待它明显褪色，让我们有机会看到超新星。”
布兰查德用JWST的近红外光谱仪观察了该天体的红外波长光。就在那时，他看到了钙和氧等元素的特征特征，这些元素通常在超新星中发现。令人惊讶的是，它并不特别明亮——就像它伴随的令人难以置信的GRB一样。
“它并不比以前的超新星更亮，”布兰查德说。“在与能量较低的伽马射线爆发相关的其他超新星的背景下，这看起来相当正常。你可能会认为，同一颗坍缩的恒星会产生能量巨大明亮的伽马射线暴，也会产生能量巨大明亮的超新星。但事实并非如此。我们有这个非常明亮的GRB，但它是一颗普通的超新星。”
缺失:重元素
在第一次确认了超新星的存在之后，布兰查德和他的合作者开始寻找其中重元素的证据。目前，天体物理学家对宇宙中产生比铁更重的元素的所有机制还没有完全了解。
产生重元素的主要机制，即快中子捕获过程，需要高度集中的中子。到目前为止，天体物理学家只证实了在2017年激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到的两颗中子星合并过程中通过这一过程产生了重元素。但科学家表示，一定有其他方法可以生产这些难以捉摸的材料。宇宙中重元素太多，而中子星合并太少。
“可能还有其他来源，”布兰查德说。“双中子星合并需要很长时间。双星系统中的两颗恒星首先要爆炸才能留下中子星。然后，这两颗中子星可能需要数十亿年的时间慢慢地靠得越来越近，最终合并。但是，对非常古老的恒星的观察表明，在大多数双中子星有时间合并之前，宇宙的某些部分就富含重金属。这为我们指明了另一个渠道。”
天体物理学家假设，重元素也可能是由一颗快速旋转的大质量恒星的坍缩产生的——这正是产生B.O.A.T.的恒星类型。利用JWST获得的红外光谱，布兰查德研究了超新星的内层，重元素应该是在那里形成的。
布兰查德说:“恒星的爆炸物质在早期是不透明的，所以你只能看到外层。”“但一旦它膨胀并冷却，它就会变得透明。然后你就可以看到来自超新星内层的光子。”
“此外，不同的元素吸收和发射不同波长的光子，这取决于它们的原子结构，给每个元素一个独特的光谱特征，”布兰查德解释说。“因此，观察物体的光谱可以告诉我们存在什么元素。在检查B.O.A.T.后但是，我们没有看到任何重元素的迹象，这表明像GRB 221009A这样的极端事件不是主要的来源。这是至关重要的信息，因为我们将继续努力确定最重元素的形成地点。”
为什么这么亮?
为了将这颗超新星的光与它之前的明亮余辉分开，研究人员将JWST的数据与智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)的观测结果进行了配对。
犹他大学(University of Utah)物理学和天文学助理教授、该研究的合著者坦莫伊·拉斯卡尔(Tanmoy Laskar)说:“即使在发现爆发几个月后，余辉也足够明亮，足以在JWST的光谱中贡献大量光线。”“结合两台望远镜的数据，帮助我们准确地测量了JWST观测时余辉的亮度，并使我们能够仔细提取超新星的光谱。”
虽然天体物理学家还没有发现“正常”超新星和破纪录的伽马射线暴是如何由同一颗坍缩的恒星产生的，但拉斯卡尔说，这可能与相对论性喷流的形状和结构有关。当快速旋转的大质量恒星坍缩成黑洞时，它们会产生接近光速的物质喷射。如果这些喷流很窄，它们就会产生更聚焦、更明亮的光束。
拉斯卡尔说:“这就像把手电筒的光束聚焦在一个窄柱上，而不是让一束宽光束穿过整面墙。”“事实上，这是迄今为止观测到的伽马射线爆发中最窄的喷流之一，这给了我们一个提示，为什么余辉看起来如此明亮。可能还有其他因素也要负责，研究人员将在未来几年研究这个问题。”
未来对发生B.O.A.T.事件的星系的研究也可能提供更多线索。“除了B.O.A.T.本身的光谱，我们还获得了它的‘宿主’星系的光谱，”布兰查德说。“光谱显示出强烈的恒星形成的迹象，暗示原始恒星的诞生环境可能与以前的事件不同。”
团队成员、宾夕法尼亚州立大学(Penn State)研究生李怡佳(Yijia Li，音译)模拟了该星系的光谱，发现B.O.A.T.是一个巨大的星系在之前所有的GRB宿主星系中，它的金属丰度是最低的，金属丰度是衡量比氢和氦重的元素丰度的指标。“这是B.O.A.T.的另一个独特之处，可能有助于解释它的性质，”李说。
这项研究，“JWST探测到一颗与GRB 221009A相关的超新星，没有r过程特征”，得到了美国宇航局(奖励号JWST- go -2784)和美国国家科学基金会(奖励号AST-2108676和AST-2002577)的支持。这项工作是基于NASA/ESA/CSA詹姆斯韦伯太空望远镜的观测结果。
