長(zhǎng)短兩類伽馬射線爆怎樣區(qū)分？形成原因分別是什么？有什么新發(fā)現(xiàn)

以往被認(rèn)為是短伽馬射線爆產(chǎn)生原因的中子星合并，也可以成為長(zhǎng)伽馬射線爆產(chǎn)生的原因

合并觸發(fā)了一次被稱為千新星(kilonova)爆炸。

科學(xué)家們將高能輻射爆炸追溯到兩顆中子星的碰撞和劇烈合并導(dǎo)致的千新星爆炸(kilonova)。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變有關(guān)宇宙大爆炸起源的理論。

“對(duì)于天文學(xué)中的伽馬射線暴來說，這一事件標(biāo)志著令人興奮的模式轉(zhuǎn)變，”組織這項(xiàng)研究的西北大學(xué)(Northwestern University)物理與天文學(xué)系博士生吉莉安·拉斯提內(nèi)賈德(Jillian Rastinejad)在一份聲明中說道。

這一事件是一個(gè)令人驚喜的范例，它代表著天文學(xué)中的伽馬射線暴向著令人興奮的模式轉(zhuǎn)變。

一位藝術(shù)家對(duì)中子星合并產(chǎn)生千新星的描繪。（圖片來源：夢(mèng)幻時(shí)光）

2021 年12月，在11億光年外，探測(cè)到強(qiáng)大的50秒高能輻射爆炸，稱為長(zhǎng)伽馬射線暴（GRB），帶動(dòng)著天體物理學(xué)家們?nèi)ふ宜牡湍芰坑噍x。

當(dāng)一顆大型恒星死亡(坍縮)時(shí)，會(huì)觸發(fā)強(qiáng)烈的爆炸，長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)伽馬射線暴(GRB)余輝發(fā)出令人難以置信的光亮但又迅速消失的光爆，這通常預(yù)示著超新星(supernova)的誕生。但是在這個(gè)名為GRB 211211A的GRB案例中，研究小組發(fā)現(xiàn)余輝之后出現(xiàn)了千新星(kilonova)，這是一種罕見的宇宙爆炸的現(xiàn)象，它被認(rèn)為是只有在中子星（爆炸恒星的密集殘余物）與另一顆中子星或黑洞合并時(shí)才會(huì)發(fā)生。

這一系列事件的研究可能會(huì)推翻這樣的理論，即長(zhǎng)伽馬射線暴只能是由巨大的恒星在其核燃料燃燒壽命結(jié)束時(shí)的坍縮產(chǎn)生的。

此外，由于存在這樣一種猜測(cè)，中子星的合并會(huì)形成宇宙中較重的元素，如黃金，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于揭示重金屬是如何以及在何處形成的。

“這一事件看起來與我們以往觀測(cè)到的長(zhǎng)伽馬射線暴的現(xiàn)象都不相同，”拉斯提內(nèi)賈德(Rastinejad)說。“它的伽馬射線與大質(zhì)量恒星坍縮時(shí)產(chǎn)生的爆發(fā)很相似。根據(jù)我們以往觀察到的所有其他已確認(rèn)的中子星合并都伴隨著持續(xù)時(shí)間不到兩秒的爆發(fā)，我們完全有理由認(rèn)為這個(gè)50秒的GRB是由一顆大質(zhì)量恒星的坍縮產(chǎn)生的。

但事實(shí)證明，這一次不是如此。“相反，我們的發(fā)現(xiàn)非常不同，”資深研究員，西北大學(xué)物理與天文學(xué)系助理教授Wen-fai Fong在報(bào)告中說道“當(dāng)我15年前進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域時(shí)，長(zhǎng)伽馬射線暴來自巨大的恒星坍縮是一成不變的。這一意想不到的發(fā)現(xiàn)不僅僅代表了我們理解上的重大轉(zhuǎn)變，而且還令人興奮地為該領(lǐng)域的研究打開了一扇新的窗口。

一張千新星(kilonova)和伽馬射線暴的插圖，藍(lán)色代表被擠壓的物質(zhì)，紅色表示兩顆中子星圍繞它們創(chuàng)造的合并物旋轉(zhuǎn)而噴射的物質(zhì)。 （圖片來自：Aaron M. Geller/Northwestern / CIERA和IT研究計(jì)算服務(wù))

長(zhǎng)伽馬射線暴預(yù)示著短千新星(kilonova)

被認(rèn)為是宇宙中最亮、最具能量的爆炸，伽馬射線暴(GRBs)傳統(tǒng)上分為兩個(gè)等級(jí)：持續(xù)時(shí)間少于兩秒的伽馬射線暴被認(rèn)為是短伽馬射線暴，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的伽馬射線暴被歸類為長(zhǎng)伽馬射線暴。

以往，短伽馬射線暴與中子星合并有關(guān)，但這類合并已被排除是長(zhǎng)伽馬射線暴的起源，只因?yàn)檫@些密集堆積的恒星殘骸，其質(zhì)量接近太陽或稍大一些，被認(rèn)為擁有的物質(zhì)太少，無法為這種爆炸提供動(dòng)力。

因此，科學(xué)家們認(rèn)為，在以兩秒為分界線的長(zhǎng)短兩類能量爆炸一定有著不同的起源。

巨型恒星的坍縮被假定為長(zhǎng)伽馬射線暴的原因，因?yàn)檫@些巨大的恒星的質(zhì)量相當(dāng)于數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)太陽。當(dāng)這些恒星核聚變?nèi)剂虾谋M時(shí)，向外的壓力對(duì)抗向內(nèi)的重力的平衡停止了。這導(dǎo)致大量的這種物質(zhì)向內(nèi)涌去，產(chǎn)生并喂養(yǎng)一個(gè)新生的黑洞和以超新星為標(biāo)志的爆炸。

剩余的物質(zhì)被這個(gè)黑洞的磁場(chǎng)抓住，并以接近光速的速度發(fā)射到太空中，從而為長(zhǎng)伽馬射線爆提供動(dòng)力。

“當(dāng)你把兩顆中子星合并在一起時(shí)，那里的質(zhì)量并不大，”Fong說?！耙恍〔糠值馁|(zhì)量吸積，然后為非常短的爆發(fā)提供動(dòng)力。習(xí)慣上，在大質(zhì)量恒星坍縮的情況下，為更長(zhǎng)的伽馬射線暴提供動(dòng)力，需有更長(zhǎng)的喂食時(shí)間。

起初，研究人員并沒有懷疑50秒的GRB 211211A有任何異?；蛉魏慰赡芨淖冞@些起源理論的東西。對(duì)于這樣的事件來說，在距離地球11億光年的地方，發(fā)生長(zhǎng)伽馬射線爆相對(duì)更接近我們，這使得研究小組能夠用一系列望遠(yuǎn)鏡和各種波長(zhǎng)的光來研究它。

當(dāng)他們這樣做時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一種微弱的物質(zhì)，在近紅外圖像中迅速褪色。由于超新星不會(huì)迅速褪色，而且比這個(gè)物質(zhì)亮得多，天文學(xué)家們意識(shí)到他們發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的東西。

“夜空中的很多物質(zhì)會(huì)迅速褪色，”Fong說“我們用不同的濾鏡對(duì)圖片來源進(jìn)行成像從而得到顏色信息，這有助于我們確定圖片內(nèi)容的身份。”

根據(jù)一份報(bào)告，一項(xiàng)附加的研究被發(fā)表在第二篇論文中，它使用建模來分析此次事件，并確認(rèn)這種信號(hào)與千新星相匹配。

錯(cuò)誤的星系

長(zhǎng)伽馬射線爆似乎是由中子星合并的千新星觸發(fā)的，這并不是伽馬射線爆GRB 211211A唯一不尋常的地方，對(duì)于這類事件，以往的的知識(shí)表明它在錯(cuò)誤的星系類型中。

高能爆炸被追溯到一個(gè)名為SDSS J140910.47＋275320.8的年輕且相對(duì)較小的恒星形成星系。這個(gè)星系的特征幾乎與本區(qū)域宇宙(the Local Universe)/(本區(qū)域宇宙就是以地球?yàn)樽鴺?biāo)系觀測(cè)宇宙的尺度。據(jù)觀測(cè)，本區(qū)域宇宙直徑2.46 × 10E25米。)中唯一已知的另一個(gè)中子星合并宿主星系的特征完全相反：NGC4993，一個(gè)巨大的“紅死”宿主星系。

“這個(gè)星系相當(dāng)年輕，正在活躍地形成恒星，且實(shí)際上并沒有那么大，”該研究的共同作者，西北大學(xué)的研究生(安雅·紐金特)Anya Nugent談到SDSS J140910.47＋275320.8。“事實(shí)上，它看起來更像是宇宙深處看到的短伽馬射線爆宿主?！?/p>

現(xiàn)在天文學(xué)家們對(duì)于探索有了更好的想法，紐金特認(rèn)為，當(dāng)天文學(xué)家們找尋附近的千新星時(shí)，應(yīng)當(dāng)變換天文學(xué)家觀察的星系類型。

“千新星是由宇宙中一些最重元素的放射性衰變提供的動(dòng)力，”拉斯提內(nèi)賈德補(bǔ)充道?！暗乔滦呛茈y觀察到，而且很快就會(huì)消失?，F(xiàn)在，我們知道我們也可以利用一些長(zhǎng)伽馬射線暴來尋找更多的千新星。

這一發(fā)現(xiàn)還可能改變天文學(xué)家們尋找鉑和金等重元素的方式，因?yàn)槟壳斑@些元素的產(chǎn)生跡象尚不明確。建模工作表明，一次像這次這樣的事件會(huì)產(chǎn)生大量的重元素。

英國(guó)伯明翰大學(xué)天體物理學(xué)家馬特·尼科爾（Matt Nicholl）在一份聲明中表示：“我們發(fā)現(xiàn)，這一事件產(chǎn)生的重元素約為地球質(zhì)量的1000倍。這支持了這樣一種觀點(diǎn)，即這些千新星是宇宙中生產(chǎn)黃金的主要工廠。”

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（Webb或JWST）于7月開始將圖像傳回地球，它可能有助于在爆炸后的余波中追蹤到此類特征。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡可以捕獲包括不同元素指紋的遙遠(yuǎn)天體的光譜。因此，天文學(xué)家使用太空望遠(yuǎn)鏡可以最終確定重元素的產(chǎn)生地點(diǎn)——事實(shí)證明，這項(xiàng)任務(wù)對(duì)地球上最復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡來說仍具有太大的挑戰(zhàn)性。

“不幸的是，即使是最好的地面望遠(yuǎn)鏡也不夠靈敏，無法顯示光譜。”拉斯提內(nèi)賈德說。“有了韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，我們本可以獲得千新星的光譜。這些光譜線會(huì)提供直接證據(jù)，證明你已經(jīng)探測(cè)到了最重的元素?！?/p>

周三（12月7日）發(fā)表在《自然》雜志上的兩篇論文描述了這項(xiàng)研究。

BY:Robert Lea

FY: 無窮

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