史上最亮伽马射线暴来自一颗坍缩的恒星
2022年10月，一股比以往探测到的任何一次伽马射线亮10倍多的射线袭击了地球，炙烤着大气层，令天文学家惊叹不已，并获得了有史以来最亮的伽马射线暴的称号，天文学家给它起了个“形象”的名字——BOAT（brightest of all time）。现在，天文学家已经利用美国航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）确定了爆发的来源，并偶然发现了一个新难题。
正如理论学家所预料的那样，爆发的动力是一种被称为坍缩星的超新星：一颗巨大的、快速旋转的恒星，耗尽燃料并坍塌，外层爆炸进入太空，然后消失在黑洞中。
研究人员还认为，坍缩星产生的极端条件可能会形成自然界中最重的那些元素，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，团队什么也没看到。
“没有证据表明这些元素存在。”领导这项研究的美国西北大学的Peter Blanchard说。4月12日，相关成果发表于《自然-天文学》。
一种被称为坍缩星的超新星被认为会留下一个黑洞，从地球上看，这个黑洞会喷出一股伽马射线暴。在一项新研究中，预计在爆发中形成的重元素丢失了。图片来源：AARON M. GELLER/NORTHWESTERN
最近的其他研究也显示了同样令人困惑的缺陷。但理论学家表示，现在就否定坍缩星是最重元素的来源还为时过早。“我认为这还没有定论。”英国赫特福德大学的Chiaki Kobayashi说，“我们只是没有足够的统计数据。”
大爆炸给宇宙带来了丰富的氢和氦。但是其他92种自然元素都是在恒星的原子核融合成更大的原子核时形成的。普通恒星产生较轻的元素，但比铁重的元素被认为需要超新星或其他极端事件的爆炸条件。
一半的重元素——那些中子最丰富的元素，需要特殊的条件，在这种条件下，中子轰击种子核的速度非常快，以至于它没有时间衰变——这个过程被称为快中子捕获或R过程。可以追溯到早期宇宙的恒星含有铕等R过程元素，这表明这个过程开始得很早。Kobayashi说：“通过对附近恒星的观测，我们有非常有力的证据表明早期的R过程。”这让天文学家们很难弄清哪里可能存在必要的条件。
引力波探测器提供了线索。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，这次爆炸产生了相当于10个地球质量的黄金和铂。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，但仍然很罕见，只有几十颗被观测到。坍缩星需要足够大，以使超新星爆炸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，喷出辐射和粒子，从而创造R过程条件。
这些条件也是产生喷流的关键，喷流是以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，天文学家会看到伽马射线的聚光爆发，即伽马射线暴。Blanchard说，就BOAT（官方编号GRB 221009A）而言，GRB的余辉非常明亮，以至于在最初爆炸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——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，当他们检查其光谱时，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很明显。
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。尽管如此，他说重元素缺乏是令人惊讶的，因为GRB 221009A是探测R过程的主要候选者。
今年2月发表的另一项研究在25个潜在坍缩星样本中发现了类似的无效结果。
Kobayashi并不太担心所有未检测到的情况。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，“非常有力的证据出现可能还需要等待一段时间。”
