史上最亮伽玛射线暴GRB 221009A正在挑战元素形成理论

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记录以来最亮的伽马射线暴（GRB）--GRB 221009A。现在，一个由西北大学领导的研究小组已经证实，造成这一历史性爆发（被称为"B.O.A.T."（"有史以来最亮"））的现象是一颗大质量恒星的坍缩和随后的爆炸。研究小组利用美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）发现了这一爆炸，即超新星。在这一发现解开了一个谜团的同时，另一个谜团也在加深。

艺术家绘制的 GRB 221009A 可视图，显示了产生 GRB 的狭长相对论喷流--从中央黑洞喷出--以及通过超新星爆炸喷出的原始恒星不断膨胀的残骸。西北大学博士后研究员彼得-布兰查德（Peter Blanchard）和他的团队利用詹姆斯-韦伯太空望远镜首次探测到了这颗超新星，证实了GRB 221009A是一颗大质量恒星坍缩的结果。该研究的合著者还发现，该事件发生在其宿主星系的密集恒星形成区域，如背景星云所描绘的那样。图片来源：Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

研究人员推测，铂和金等重元素的证据可能就存在于这颗新发现的超新星中。然而，广泛的搜索并没有发现这类元素的特征。宇宙中重元素的起源仍然是天文学最大的悬而未决的问题之一。

这项研究成果于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，我们就有机会检验宇宙中一些最重元素是如何形成的。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GRB不会产生这些元素。这并不意味着所有的GRB都不会产生这些元素，但这是我们继续了解这些重元素来源的一个关键信息。JWST未来的观测将确定B.O.A.T.的'正常'表兄弟是否会产生这些元素。"

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，研究超光速超新星和GRB。这项研究的共同作者来自哈佛大学天体物理学中心和史密森尼天文台、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、太空望远镜科学研究所、亚利桑那大学/斯图尔特天文台、加州大学圣巴巴拉分校、哥伦比亚大学、Flatiron 研究所、格赖夫斯瓦尔德大学和圭尔夫大学。

第二作者、哈佛大学天体物理学中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）的阿什利-维拉尔（Ashley Villar）说："这一事件尤其令人兴奋，因为有人曾假设，像B.O.A.T.这样的高能伽马射线暴可能会产生大量的重元素，比如金和铂。"如果他们是正确的，B.O.A.T.应该是一座金矿。令人震惊的是，我们并没有看到这些重元素的任何证据。"

B.O.A.T. 的诞生

2022年10月9日，当它的光芒照耀地球时，B.O.A.T.是如此明亮，以至于世界上大多数伽马射线探测器都被它的光芒所淹没。这次强烈的爆炸发生在距离地球约 20 亿光年远的人马座方向，持续了几百秒钟。当天文学家们争先恐后地观测这一令人难以置信的明亮现象的起源时，他们立刻被一种敬畏感所击中。

西北大学温伯格艺术与科学学院物理学和天文学副教授、CIERA成员方文辉当时说："只要我们能够探测到GRB，那么毫无疑问，这个GRB是我们目睹过的最亮的GRB，亮度达到了10倍或更多。"

布兰查德说："这次事件产生了一些专门用于探测伽马射线的卫星所记录到的最高能量的光子。这是地球每一万年才能看到一次的事件。我们很幸运生活在这样一个时代，我们拥有探测宇宙中发生的这些爆发的技术。能够观测到 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原理，实在是太令人兴奋了。"

一颗"正常"超新星

布兰查德、维拉尔和他们的团队并没有立即对这一事件进行观测，而是希望在它的后期阶段对其进行观测。在最初探测到伽马射线暴约六个月后，布兰查德和维拉尔利用 JWST 对其后期进行了观测。

布兰查德说："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。在这些时间里，GRB的所谓余辉就像一辆汽车的前大灯直射向你，让你无法看到汽车本身。因此，我们必须等待余辉明显减弱，才有机会看到超新星。"

维拉尔说："我们很幸运，因为 JWST 刚刚发射，可以进行这些观测。银河恰好位于 B.O.A.T. 的前方，它的尘埃挡住了我们通常能看到的所有蓝光。JWST 可以穿透这些尘埃，让我们看到令人难以置信的红外线。"

研究小组利用 JWST 的近红外摄谱仪发现了超新星中钙和氧等元素的典型特征。令人惊讶的是，它并不特别明亮--就像它所伴随的亮度惊人的GRB一样。

布兰查德说："它并不比以前的超新星更亮。与其他能量较低的GRB相关的超新星相比，它看起来相当正常。你可能会认为，产生高能量和高亮度 GRB 的同一颗坍缩恒星也会产生高能量和高亮度的超新星。但事实证明并非如此。我们看到的这个GRB亮度极高，但却是一颗普通的超新星。"

失踪：重元素

在首次确认了超新星的存在之后，布兰查德和他的合作者接着寻找其中重元素的证据。目前，天体物理学家对宇宙中能够产生比铁更重的元素的所有机制的了解还不全面。

产生重元素的主要机制--快速中子俘获过程需要高浓度的中子。迄今为止，天体物理学家只在两颗中子星的合并中证实了通过这一过程产生重元素，激光干涉引力波天文台（LIGO）在2017年探测到了这一碰撞。但科学家们说，一定还有其他方法可以产生这些难以捉摸的物质。宇宙中的重元素实在太多了，而中子星合并却太少。

"很可能还有另一个来源，"布兰查德说。"双中子星合并需要很长的时间。双星系统中的两颗恒星首先必须爆炸，留下中子星。然后，这两颗中子星需要数十亿年的时间慢慢靠近，最终合并。但是，对非常古老恒星的观测表明，在大多数双中子星来得及合并之前，宇宙的某些部分就已经富含重金属了。这为我们指出了另一种渠道。"

天体物理学家推测，重元素也可能是由快速旋转的大质量恒星坍缩产生的，而这种恒星正是产生B.O.A.T.的恒星。利用JWST获得的红外光谱，布兰查德研究了超新星的内层，重元素应该是在这里形成的。

"恒星的爆炸物质在早期是不透明的，所以你只能看到外层，"布兰查德说。"但一旦它膨胀并冷却，就会变得透明。然后你就能看到来自超新星内层的光子了。此外，不同元素吸收和发射的光子波长不同，这取决于它们的原子结构，因此每种元素都有独特的光谱特征，因此，通过观察天体的光谱，我们可以知道天体中含有哪些元素。在检查B.O.A.T.的光谱时，我们没有看到任何重元素的特征，这表明像GRB 221009A这样的极端事件并不是主要来源。在我们继续尝试确定最重元素形成的地方时，这是至关重要的信息。"

为何如此明亮？

为了将超新星的光线与它之前的明亮余辉的光线区分开来，研究人员将 JWST 的数据与智利阿塔卡马大毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的观测数据进行了配对。

"即使在爆发被发现几个月后，余辉的亮度也足以在JWST光谱中贡献大量的光，"犹他大学物理和天文学助理教授、该研究的合著者Tanmoy Laskar说。"结合两台望远镜的数据，有助于我们准确测量 JWST 观测时余辉的亮度，使我们能够仔细提取超新星的光谱"。

虽然天体物理学家们还没有发现一颗"普通"超新星和破纪录的 GRB 是如何由同一颗坍缩恒星产生的，但拉斯卡尔说，这可能与相对论射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，它们会产生物质喷流，以接近光速的速度喷出。如果这些喷流很窄，就会产生更集中、更明亮的光束。

拉斯卡尔说："这就像把手电筒的光束聚焦到一个狭窄的柱子上，而不是把宽大的光束冲过整面墙。事实上，这是迄今为止看到的伽马射线暴中最窄的射流之一，这给了我们一个提示，为什么余辉会如此明亮。可能还有其他因素，研究人员将在未来几年研究这个问题。"

未来对B.O.A.T.所在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。"光谱显示出恒星形成的迹象，暗示原始恒星的诞生环境可能不同于以往的事件"。

研究小组成员、宾夕法尼亚州立大学研究生李一佳（Yijia Li）对该星系的光谱进行了建模，发现B.O.A.T.的宿主星系的金属性（一种衡量比氢和氦重的元素丰度的指标）是以前所有GRB宿主星系中最低的。

Li说："这是B.O.A.T.的另一个独特方面，可能有助于解释其特性。B.O.A.T.释放的能量完全超乎想象，是人类所见过的能量最高的事件之一。它似乎还诞生于接近原始的气体，这一事实可能是理解其超强特性的重要线索。"

编译自/scitechdaily