2024-04-16 19:56 来源：得道网
2022年10月9日，在经历了大约20亿年的旅程后，来自高能伽马射线暴(GRB)的光子击中了尼尔·格雷斯·斯威夫特天文台和费米伽马射线太空望远镜上的传感器。GRB持续了7分钟，但可见时间要长得多。即使是业余天文学家也在可见频率上发现了强大的爆发。
它是如此强大，以至于影响了地球的大气层，这对于20多亿光年之外的东西来说是一个了不起的壮举。这是迄今为止观测到的最亮的GRB，从那时起，天体物理学家就一直在寻找它的来源。
美国宇航局表示，伽马射线暴是宇宙中最强大的爆炸。它们最初是在20世纪60年代末被美国为监视苏联而发射的卫星发现的。美国人担心，尽管签署了1963年的《禁止核试验条约》，但俄罗斯可能会继续试验核武器。
现在，我们每天探测到大约一个GRB，它们总是在遥远的星系中。天体物理学家试图解释它们，提出了不同的假设。对grb的研究如此之多，以至于到2000年，科学期刊上平均每天发表1.5篇关于grb的文章。
人们提出了许多不同的原因。一些人认为，当彗星与中子星相撞时，伽马射线暴就会释放出来。另一些人认为它们可能来自大质量恒星坍缩成黑洞。事实上，科学家们想知道类星体、超新星、脉冲星甚至球状星团是否可能是伽马射线爆发的原因，或者以某种方式与它们有关。
伽马射线暴令人困惑，因为它们的光曲线非常复杂。没有两个是完全相同的。但天体物理学家取得了进展，他们学到了一些东西。持续时间较短的伽马射线暴是由两颗中子星合并或中子星与黑洞合并引起的。持续时间较长的伽马射线暴是由大质量恒星坍缩形成黑洞引起的。
《自然天文学》的一项新研究检查了超高能量的GRB 221009A，被称为“B.O.A.T:有史以来最亮的”，并发现了一些令人惊讶的事情。当它最初被发现时，科学家们说它是由一颗大质量恒星坍缩成黑洞引起的。这项新研究并没有反驳这一观点。但它提出了一个新的谜团:为什么在新发现的超新星中没有重元素?
这项研究是“JWST探测到一颗与GRB 221009A相关的超新星，没有r过程特征。”主要作者是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)博士后彼得·布兰查德(Peter Blanchard)。
“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。”
“当我们确认GRB是由一颗大质量恒星的坍缩产生时，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，”首席作者布兰查德说。
“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。”
科学家们知道超新星爆炸会形成重元素。它们是星际介质中氧(原子序数8)到铷(原子序数37)等元素的重要来源。它们也会产生更重的元素。重元素是形成像地球这样的岩石行星和生命本身所必需的。但值得注意的是，天体物理学家并不完全了解重元素是如何产生的。
哈佛大学和哈佛&史密森天体物理中心的第二作者阿什利·维拉说:“这一事件特别令人兴奋，因为一些人曾假设，像B.O.A.T.这样的发光伽马射线爆发可能会产生很多重元素，比如金和铂。”如果他们是对的，B.O.A.T.应该是一座金矿。令人惊讶的是，我们没有看到任何证据表明这些重元素存在。”
恒星通过核合成形成重元素。三个过程负责:p过程，s过程和r过程(质子捕获过程，慢中子捕获过程和快中子捕获过程)。r过程捕获中子的速度比s过程快，大约一半的比铁重的元素都是由r过程产生的。r过程也是这些重元素最稳定的同位素产生的原因。
以上就是为了说明r过程在宇宙中的重要性。
研究人员使用JWST到达GRB 221009A的底部。GRB被银河系掩盖了，但JWST感知到红外光，并透过银河系的气体和尘埃看到了它。望远镜的近红外光谱仪(NIRSpec)可以探测到通常在超新星中发现的氧和钙等元素。但这些特征并不很亮，考虑到超新星的亮度，这令人惊讶。
“它并不比以前的超新星更亮，”首席作者布兰查德说。“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。”
确认这颗超新星的存在是理解GRB 221009A的重要一步。但缺少r-process特征仍然令人困惑。
科学家们只确认了两颗中子星合并时的r过程，称为千新星爆炸。但中子星合并太少，无法解释重元素的丰度。
“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。”
研究人员想知道，像这样发光的超新星是否能解释其余的原因。超新星有一个内层，在那里可以合成更多的重元素。但这一层是模糊的。只有在事情平静下来之后，我们才能看到内在的那一层。
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。”
所有的元素都有光谱特征，JWST的NIRSpec是一个非常强大的仪器。但它无法探测到更重的元素，即使是在超新星的内层。
“在检查B.O.A.T.的光谱时，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来源，”首席作者布兰夏德说。“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。”
科学家们仍然不确定GRB和它缺乏重元素。但另一个特征可能会提供线索:喷气机。
作者在他们的论文中写道:“r过程的第二个提议地点是在大质量恒星快速旋转的核心中，这些恒星坍缩成一个吸积黑洞，产生与BNS合并后类似的条件。”“理论模拟表明，这些所谓的‘坍缩’中的吸积盘外流可能会达到r过程发生所需的中子丰富状态。”
研究人员所指的吸积盘流出物是相对论性喷流。喷流越窄，它们的能量就越明亮、越集中。
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。”
研究人员还使用NIRSpec收集了GRB宿主星系的光谱。它的金属丰度是已知的GRB星系中最低的。这可能是一个因素吗?
作者在他们的研究中写道:“这是任何LGRB中金属丰度最低的环境之一，这是一类更喜欢低金属丰度星系的物体，据我们所知，它是迄今为止GRB-SN中金属丰度最低的环境。”“这可能表明，产生高能伽马射线暴所需的金属丰度非常低。”
“光谱显示了恒星形成的迹象，暗示原始恒星的诞生环境可能与以前的事件不同，”布兰夏德说。
Yijia Li是宾夕法尼亚州立大学的研究生，也是该论文的合著者。“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。“在B.O.A.T.中释放的能量完全打破了记录，这是人类所见过的最具能量的事件之一。事实上，它似乎也是由接近原始的气体产生的，这可能是了解其最高性质的重要线索。”
这是另一个解决一个谜导致另一个未解之谜的案例。JWST的发射是为了回答我们关于宇宙的一些基本问题。通过确认一颗超新星是迄今为止探测到的最强大的伽马射线暴的背后，它完成了部分工作。
但它也发现了另一个谜，让我们再次陷入困境。
JWST正在按预期工作。
更多信息:Peter K. Blanchard等人，JWST探测到一颗与GRB 221009A相关的超新星，没有r过程特征，《自然天文学》(2024)。DOI: 10.1038 / s41550 - 024 - 02237 - 4
今日宇宙提供
引自:有史以来最亮的伽马射线爆发来自于一颗坍缩的恒星(2024年4月15日)，从https://phys.org/news/2024-04-brightest-gamma-ray-collapsing-star.html检索到2024年4月15日
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