史上最亮伽馬射線暴來自一顆坍縮的恒星

2022年10月，一股比以往探測到的任何一次伽馬射線亮10倍多的射線襲擊了地球，炙烤著大氣層，令天文學家驚嘆不已，并獲得了有史以來最亮的伽馬射線暴的稱號，天文學家給它起了個“形象”的名字——BOAT（brightest of all time）。現在，天文學家已經利用美國航空航天局的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）確定了爆發的來源，并偶然發現了一個新難題。

正如理論學家所預料的那樣，爆發的動力是一種被稱為坍縮星的超新星：一顆巨大的、快速旋轉的恒星，耗盡燃料并坍塌，外層爆炸進入太空，然后消失在黑洞中。

研究人員還認為，坍縮星產生的極端條件可能會形成自然界中最重的那些元素，如鈾、鉑和金。考慮到BOAT的亮度，他們希望元素形成的過程能夠生動地展示出來。然而，團隊什么也沒看到。

“沒有證據表明這些元素存在。”領導這項研究的美國西北大學的Peter Blanchard說。4月12日，相關成果發表于《自然-天文學》。

一種被稱為坍縮星的超新星被認為會留下一個黑洞，從地球上看，這個黑洞會噴出一股伽馬射線暴。在一項新研究中，預計在爆發中形成的重元素丟失了。圖片來源：AARON M. GELLER/NORTHWESTERN

最近的其他研究也顯示了同樣令人困惑的缺陷。但理論學家表示，現在就否定坍縮星是最重元素的來源還為時過早。“我認為這還沒有定論。”英國赫特福德大學的Chiaki Kobayashi說，“我們只是沒有足夠的統計數據。”

大爆炸給宇宙帶來了豐富的氫和氦。但是其他92種自然元素都是在恒星的原子核融合成更大的原子核時形成的。普通恒星產生較輕的元素，但比鐵重的元素被認為需要超新星或其他極端事件的爆炸條件。

一半的重元素——那些中子最豐富的元素，需要特殊的條件，在這種條件下，中子轟擊種子核的速度非常快，以至于它沒有時間衰變——這個過程被稱為快中子捕獲或R過程。可以追溯到早期宇宙的恒星含有銪等R過程元素，這表明這個過程開始得很早。Kobayashi說：“通過對附近恒星的觀測，我們有非常有力的證據表明早期的R過程。”這讓天文學家們很難弄清哪里可能存在必要的條件。

引力波探測器提供了線索。2017年，當美國和歐洲的探測器探測到兩顆中子星（超高密度恒星殘骸）劇烈合并產生的波時，光學望遠鏡發現了R過程元素形成的證據。據估計，這次爆炸產生了相當于10個地球質量的黃金和鉑。但是天文學家認為中子星合并太罕見了，不可能成為R過程元素的主要來源。

坍縮星似乎是最好的選擇。坍縮星比中子星合并更常見，但仍然很罕見，只有幾十顆被觀測到。坍縮星需要足夠大，以使超新星爆炸后留下的核心最終坍縮成黑洞。快速旋轉也是關鍵，這樣剩余的物質就會旋轉進入吸積盤。當黑洞吸入圓盤中的物質時，它會被加熱到極端溫度，噴出輻射和粒子，從而創造R過程條件。

這些條件也是產生噴流的關鍵，噴流是以接近光速從黑洞兩極射出的粒子束。當噴流正好指向地球時，天文學家會看到伽馬射線的聚光爆發，即伽馬射線暴。Blanchard說，就BOAT（官方編號GRB 221009A）而言，GRB的余輝非常明亮，以至于在最初爆炸12天后，用JWST觀察這一事件的另一個團隊無法看到這顆超新星。

Blanchard團隊一直等到6個月后——余輝消失，膨脹的物質外殼被分散，足以讓JWST看到黑洞附近，那里預計會發生R過程。令團隊成員驚訝的是，考慮到BOAT的亮度，坍縮星的殘余物看起來并不是特別大。但更令人驚訝的是，當他們檢查其光譜時，沒有看到碲、硒和銣等R過程元素的發射線，而它們在JWST敏感的中紅外波長范圍內很明顯。

Blanchard說，GRB 221009A可能是不尋常的，因為它產生了如此極端的GRB。它還位于一個缺乏重元素的星系中，這與通常發現GRB的星系不同。盡管如此，他說重元素缺乏是令人驚訝的，因為GRB 221009A是探測R過程的主要候選者。

今年2月發表的另一項研究在25個潛在坍縮星樣本中發現了類似的無效結果。

Kobayashi并不太擔心所有未檢測到的情況。根據她的計算，只有千分之一的超新星能夠產生R過程。“觀測者需要發現更多的超新星事件。”她說，“非常有力的證據出現可能還需要等待一段時間。”