长短两类伽马射线爆怎样区分？形成原因分别是什么？有什么新发现

以往被认为是短伽马射线爆产生原因的中子星合并，也可以成为长伽马射线爆产生的原因

合并触发了一次被称为千新星(kilonova)爆炸。

科学家们将高能辐射爆炸追溯到两颗中子星的碰撞和剧烈合并导致的千新星爆炸(kilonova)。这一发现可能会改变有关宇宙大爆炸起源的理论。

“对于天文学中的伽马射线暴来说，这一事件标志着令人兴奋的模式转变，”组织这项研究的西北大学(Northwestern University)物理与天文学系博士生吉莉安·拉斯提内贾德(Jillian Rastinejad)在一份声明中说道。

这一事件是一个令人惊喜的范例，它代表着天文学中的伽马射线暴向着令人兴奋的模式转变。

一位艺术家对中子星合并产生千新星的描绘。（图片来源：梦幻时光）

2021 年12月，在11亿光年外，探测到强大的50秒高能辐射爆炸，称为长伽马射线暴（GRB），带动着天体物理学家们去寻找它的低能量余辉。

当一颗大型恒星死亡(坍缩)时，会触发强烈的爆炸，长时间的长伽马射线暴(GRB)余辉发出令人难以置信的光亮但又迅速消失的光爆，这通常预示着超新星(supernova)的诞生。但是在这个名为GRB 211211A的GRB案例中，研究小组发现余辉之后出现了千新星(kilonova)，这是一种罕见的宇宙爆炸的现象，它被认为是只有在中子星（爆炸恒星的密集残余物）与另一颗中子星或黑洞合并时才会发生。

这一系列事件的研究可能会推翻这样的理论，即长伽马射线暴只能是由巨大的恒星在其核燃料燃烧寿命结束时的坍缩产生的。

此外，由于存在这样一种猜测，中子星的合并会形成宇宙中较重的元素，如黄金，这一发现可能有助于揭示重金属是如何以及在何处形成的。

“这一事件看起来与我们以往观测到的长伽马射线暴的现象都不相同，”拉斯提内贾德(Rastinejad)说。“它的伽马射线与大质量恒星坍缩时产生的爆发很相似。根据我们以往观察到的所有其他已确认的中子星合并都伴随着持续时间不到两秒的爆发，我们完全有理由认为这个50秒的GRB是由一颗大质量恒星的坍缩产生的。

但事实证明，这一次不是如此。“相反，我们的发现非常不同，”资深研究员，西北大学物理与天文学系助理教授Wen-fai Fong在报告中说道“当我15年前进入这个领域时，长伽马射线暴来自巨大的恒星坍缩是一成不变的。这一意想不到的发现不仅仅代表了我们理解上的重大转变，而且还令人兴奋地为该领域的研究打开了一扇新的窗口。

一张千新星(kilonova)和伽马射线暴的插图，蓝色代表被挤压的物质，红色表示两颗中子星围绕它们创造的合并物旋转而喷射的物质。 （图片来自：Aaron M. Geller/Northwestern / CIERA和IT研究计算服务)

长伽马射线暴预示着短千新星(kilonova)

被认为是宇宙中最亮、最具能量的爆炸，伽马射线暴(GRBs)传统上分为两个等级：持续时间少于两秒的伽马射线暴被认为是短伽马射线暴，持续时间较长的伽马射线暴被归类为长伽马射线暴。

以往，短伽马射线暴与中子星合并有关，但这类合并已被排除是长伽马射线暴的起源，只因为这些密集堆积的恒星残骸，其质量接近太阳或稍大一些，被认为拥有的物质太少，无法为这种爆炸提供动力。

因此，科学家们认为，在以两秒为分界线的长短两类能量爆炸一定有着不同的起源。

巨型恒星的坍缩被假定为长伽马射线暴的原因，因为这些巨大的恒星的质量相当于数十个甚至数百个太阳。当这些恒星核聚变燃料耗尽时，向外的压力对抗向内的重力的平衡停止了。这导致大量的这种物质向内涌去，产生并喂养一个新生的黑洞和以超新星为标志的爆炸。

剩余的物质被这个黑洞的磁场抓住，并以接近光速的速度发射到太空中，从而为长伽马射线爆提供动力。

“当你把两颗中子星合并在一起时，那里的质量并不大，”Fong说。“一小部分的质量吸积，然后为非常短的爆发提供动力。习惯上，在大质量恒星坍缩的情况下，为更长的伽马射线暴提供动力，需有更长的喂食时间。

起初，研究人员并没有怀疑50秒的GRB 211211A有任何异常或任何可能改变这些起源理论的东西。对于这样的事件来说，在距离地球11亿光年的地方，发生长伽马射线爆相对更接近我们，这使得研究小组能够用一系列望远镜和各种波长的光来研究它。

当他们这样做时，他们发现了一种微弱的物质，在近红外图像中迅速褪色。由于超新星不会迅速褪色，而且比这个物质亮得多，天文学家们意识到他们发现了一些意想不到的东西。

“夜空中的很多物质会迅速褪色，”Fong说“我们用不同的滤镜对图片来源进行成像从而得到颜色信息，这有助于我们确定图片内容的身份。”

根据一份报告，一项附加的研究被发表在第二篇论文中，它使用建模来分析此次事件，并确认这种信号与千新星相匹配。

错误的星系

长伽马射线爆似乎是由中子星合并的千新星触发的，这并不是伽马射线爆GRB 211211A唯一不寻常的地方，对于这类事件，以往的的知识表明它在错误的星系类型中。

高能爆炸被追溯到一个名为SDSS J140910.47＋275320.8的年轻且相对较小的恒星形成星系。这个星系的特征几乎与本区域宇宙(the Local Universe)/(本区域宇宙就是以地球为坐标系观测宇宙的尺度。据观测，本区域宇宙直径2.46 × 10E25米。)中唯一已知的另一个中子星合并宿主星系的特征完全相反：NGC4993，一个巨大的“红死”宿主星系。

“这个星系相当年轻，正在活跃地形成恒星，且实际上并没有那么大，”该研究的共同作者，西北大学的研究生(安雅·纽金特)Anya Nugent谈到SDSS J140910.47＋275320.8。“事实上，它看起来更像是宇宙深处看到的短伽马射线爆宿主。”

现在天文学家们对于探索有了更好的想法，纽金特认为，当天文学家们找寻附近的千新星时，应当变换天文学家观察的星系类型。

“千新星是由宇宙中一些最重元素的放射性衰变提供的动力，”拉斯提内贾德补充道。“但是千新星很难观察到，而且很快就会消失。现在，我们知道我们也可以利用一些长伽马射线暴来寻找更多的千新星。

这一发现还可能改变天文学家们寻找铂和金等重元素的方式，因为目前这些元素的产生迹象尚不明确。建模工作表明，一次像这次这样的事件会产生大量的重元素。

英国伯明翰大学天体物理学家马特·尼科尔（Matt Nicholl）在一份声明中表示：“我们发现，这一事件产生的重元素约为地球质量的1000倍。这支持了这样一种观点，即这些千新星是宇宙中生产黄金的主要工厂。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜（Webb或JWST）于7月开始将图像传回地球，它可能有助于在爆炸后的余波中追踪到此类特征。

詹姆斯·韦伯太空望远镜可以捕获包括不同元素指纹的遥远天体的光谱。因此，天文学家使用太空望远镜可以最终确定重元素的产生地点——事实证明，这项任务对地球上最复杂的望远镜来说仍具有太大的挑战性。

“不幸的是，即使是最好的地面望远镜也不够灵敏，无法显示光谱。”拉斯提内贾德说。“有了韦伯太空望远镜，我们本可以获得千新星的光谱。这些光谱线会提供直接证据，证明你已经探测到了最重的元素。”

周三（12月7日）发表在《自然》杂志上的两篇论文描述了这项研究。

BY:Robert Lea

FY: 无穷

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