史上最亮伽马射线暴来自坍缩恒星

王方

2022年10月，一股伽马射线袭击了地球，炙烤着大气层，它的亮度是以往探测到的任何射线的10倍以上，令天文学家惊叹不已。作为有史以来最亮的伽马射线暴（GRB），天文学家给它起了个形象的名字——BOAT（brightest of all time，即史上最亮）。现在，天文学家利用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）确定了GRB的来源，并偶然发现了一个新谜题。

据《科学》报道，研究人员认为，坍缩星产生的极端条件可能会形成自然界最重的一些元素，如铀、铂和金。考虑到BOAT的亮度，他们希望元素形成的过程能够生动地展示出来。然而，研究人员却什么也没看到

“没有证据表明存在这些元素。”领导这项研究的美国西北大学Peter Blanchard说。4月12日，相关成果发表于《自然-天文学》。

最近的其他研究也显示了同样令人困惑的结果。但理论学家表示，现在就否定坍缩星是最重元素的来源为时过早。“我认为还没有定论。”英国赫特福德大学Chiaki Kobayashi说，“我们只是没有足够的统计数据。”

宇宙大爆炸带来了丰富的氢和氦，但其他92种自然元素都是在恒星的原子核融合成更大原子核时形成的。普通恒星产生较轻的元素，但比铁重的元素被认为需要在超新星或其他极端爆发事件中产生。

一半的重元素——那些中子最丰富的元素，需要特殊的产生条件。在这种条件下，中子轰击种核的速度非常快，以至于后者没有时间衰变——这个过程被称为快中子捕获或r过程。科学家通过追溯发现，早期宇宙的恒星含有铕等r过程元素，表明该过程很早就开始了。Kobayashi说：“通过对附近恒星的观测，我们获得了证明早期r过程的非常有力的证据。”这迫使天文学家努力寻找可能存在r过程的必要条件。

引力波探测器则提供了线索。2017年，当美国和欧洲的探测器探测到两颗中子星（超高密度恒星残骸）剧烈合并产生的波时，光学望远镜发现了r过程元素形成的证据。据估计，这次爆发产生了相当于10个地球质量的金和铂。但是天文学家认为，中子星合并太罕见了，不可能成为r过程元素的主要来源。

坍缩星似乎是最好的选择。坍缩星比中子星合并更常见，但仍然罕见，只有几十颗被观测到。这需要坍缩星足够大，以使超新星爆发后留下的核心最终坍缩成黑洞。快速旋转也是关键，这样剩余的物质就会旋转进入吸积盘。当黑洞吸入圆盘中的物质时，它会被加热到极端温度，产生辐射并释放粒子，从而创造r过程所需的条件。

这些条件也是产生喷流的关键，喷流是指接近光速从黑洞两极射出的粒子束。当喷流正好指向地球时，天文学家会看到GRB。Blanchard说，就BOAT（官方编号GRB 221009A）而言，GRB的余辉非常明亮，以至于在最初爆发12天后，用JWST观察这一事件的另一个团队无法看到这颗超新星。

Blanchard团队一直等到6个月后，此时余辉消失，膨胀的物质外壳被分散，足以让JWST看到黑洞附近，那里预计会发生r过程。令团队成员惊讶的是，考虑到BOAT的亮度，坍缩星的残余物看起来并不是特别大。但更令人惊讶的是，当他们检查光谱时，没有看到碲、硒和铷等r过程元素的发射线，而它们在JWST敏感的中红外波长范围内是很明显的。

Blanchard说，GRB 221009A可能是不寻常的，因为它产生了如此极端的GRB。它还位于一个缺乏重元素的星系中，这与通常发现GRB的星系不同。盡管如此，重元素缺乏仍是令人惊讶的，因为GRB 221009A是探测r过程的主要候选者。

Kobayashi并不担心未检测到的情况。根据她的计算，只有千分之一的超新星能够产生r过程。“观测者需要发现更多的超新星事件。”她说，“出现非常有力的证据可能还需要等待一段时间。”