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)：GRB 221009A。
现在，西北大学领导的一个团队已经证实，造成历史性爆发的现象——被称为“BOAT”(“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)发现了爆炸或超新星。
这一发现解开了一个谜团，但另一个谜团却加深了。
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，广泛的搜索并没有找到伴随这些元素的签名。宇宙中重元素的起源仍然是天文学中最大的悬而未决的问题之一。
该研究将于周五(4 月 12 日)发表在《自然天文学》杂志上。
领导这项研究的西北大学彼得·布兰查德说：“当我们确认伽玛暴是由一颗大质量恒星的塌缩产生时，这让我们有机会检验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，这表明像船这样能量极高的伽玛暴不会产生这些元素。这并不意味着所有伽玛暴都不会产生它们，但随着我们继续了解这些重元素的来源，这是一条关键信息。詹姆斯韦伯太空望远镜的未来观察将确定这艘船的‘正常’表亲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)的博士后研究员 ，研究超光度超新星和伽玛暴。该研究的合著者来自天体物理学中心|哈佛大学和史密森尼学会;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;加州大学圣塔芭芭拉分校;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。
船的诞生
2022 年 10 月 9 日，当它的光芒扫过地球时，这艘船非常明亮，以至于饱和了世界上大多数伽马射线探测器。这次强大的爆炸发生在距地球约 24 亿光年的射手座方向，持续了数百秒。当天文学家争先恐后地观察这种极其明亮的现象的起源时，他们立即感到敬畏。
西北大学温伯格分校物理和天文学副教授 方文辉表示： “只要我们能够探测到伽玛暴，毫无疑问，这种伽玛暴是我们所见过的最亮的伽马暴，亮度是我们所见过的亮度的十倍或更多。 ”艺术与科学学院 、CIERA 成员当时说道。
布兰查德说：“这次事件产生了一些由旨在探测伽马射线的卫星记录到的最高能量的光子。” “这是地球每万年才会发生一次的事件 。我们很幸运生活在一个拥有技术来探测宇宙中发生的这些爆发的时代。观察像船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原理真是令人兴奋。”
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·维拉尔及其团队并没有立即观察这一事件，而是希望在其后期阶段观察伽玛暴。最初发现伽马暴大约六个月后，布兰查德使用 JWST 来检查其后果。
布兰查德说：“GRB 非常明亮，以至于在爆发后的最初几周和几个月内掩盖了任何潜在的超新星特征。” “这些时候，GRB的所谓余辉就像汽车的前灯直冲着你，让你看不到汽车本身。因此，我们必须等待它显着消退，才有机会看到超新星。”
布兰查德使用 JWST 的近红外光谱仪来观察物体的红外波长光。就在那时，他看到了超新星中常见的钙和氧等元素的特征。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明亮GRB一样。
“它并不比以前的超新星更亮，”布兰查德说。 “在与能量较低的伽玛暴相关的其他超新星背景下，这看起来相当正常。你可能会认为，同一颗正在塌缩的恒星会产生一颗非常有活力和明亮的伽马射线暴，也会产生一颗非常有活力和明亮的超新星。但事实证明并非如此。我们拥有这颗极其明亮的伽玛暴，但却是一颗普通的超新星。”
缺失：重元素
在首次确认超新星的存在后，布兰查德和他的合作者随后寻找其中重元素的证据。目前，天体物理学家对宇宙中所有能够产生比铁重的元素的机制还没有完整的了解。
产生重元素的主要机制是快速中子捕获过程，需要高浓度的中子。到目前为止，天体物理学家只证实了两颗中子星合并过程中重元素的产生，这是激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 在 2017 年检测到的一次碰撞。但科学家表示，一定还有其他方式来产生重元素。这些难以捉摸的材料。宇宙中的重元素太多，而中子星合并太少。
“可能还有另一个来源，”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必须爆炸才能留下中子星。然后，两颗中子星可能需要数十亿年的时间才能慢慢靠近并最终合并。但对非常古老恒星的观察表明，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。”
天体物理学家推测，重元素也可能是由一颗快速旋转的大质量恒星的塌缩产生的，这正是产生船的恒星类型。布兰查德利用 JWST 获得的红外光谱研究了超新星的内层，其中应形成重元素。
“恒星爆炸的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，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。”
布兰查德解释说：“此外，不同的元素吸收和发射不同波长的光子，具体取决于它们的原子结构，从而赋予每个元素独特的光谱特征。” “因此，观察物体的光谱可以告诉我们存在哪些元素。在检查 BOAT 的光谱后，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。当我们继续尝试确定最重元素的形成位置时，这是至关重要的信息。”