令人惊讶的千新星颠覆了对长伽马射线爆发的既定理解

近二十年来，天体物理学家一直认为长伽马射线暴(GRB)完全是由大质量恒星坍缩造成的。现在，一项新的研究颠覆了这一长期建立和长期接受的信念。

在西北大学的带领下，一组天体物理学家发现了新的证据，表明至少一些长伽玛射线暴可能是由中子星并合产生的，而此前人们认为中子星并合只会产生短伽玛射线暴。

在2021年12月探测到一个50秒长的GRB后，该团队开始寻找长GRB的余辉，这是一种异常明亮且快速消退的光爆发，通常先于超新星爆发。但是，相反，他们发现了千新星的证据，这是一种罕见的事件，只有在中子星与另一个致密天体(另一个中子星或黑洞)合并后才会发生。

除了挑战关于伽玛暴形成多长时间的长期信念之外，新发现还让人们对宇宙中最重元素的神秘形成有了新的认识。

该研究将于12月7日发表在《自然》杂志上。

“这次事件看起来不同于我们之前从长时间的伽马射线暴中看到的任何其他事件，”领导这项研究的西北大学的吉利安拉斯蒂内贾德说。“它的伽马射线类似于大质量恒星坍缩产生的爆发。鉴于我们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，我们有充分的理由预计这个50秒的GRB是由一颗大质量恒星的坍塌造成。这一事件代表了伽马射线暴天文学令人兴奋的范式转变。”

“当我们跟踪这次长时间的伽马射线爆发时，我们预计它会导致大规模恒星坍塌的证据，”该研究的资深作者、西北大学的Wen-faiFong说。“相反，我们的发现非常不同。当我15年前进入该领域时，长伽马射线爆发来自大质量恒星坍塌是板上钉钉的事情。这一意外发现不仅代表了我们理解的重大转变，而且也令人兴奋地打开了一个发现的新窗口。”

Fong是西北大学温伯格艺术与科学学院物理学和天文学助理教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心(CIERA)的重要成员。Rastinejad，博士CIERA学生，Fong课题组成员，为该论文的第一作者。

长除法

自大爆炸以来最明亮和最有活力的爆炸，GRB分为两类。持续时间小于两秒的GRB被认为是短GRB。如果GRB超过两秒，则它被认为是长GRB。研究人员此前认为，分界线两侧的伽玛暴一定有不同的起源。

2021年12月，NeilGehrelsSwift天文台的爆发警报望远镜和费米伽马射线太空望远镜发现了一次明亮的伽马射线爆发，命名为

GRB211211A。GRB211211A刚好超过50秒，最初看起来并没有什么特别之处。但是位于大约11亿光年之外——不管你信不信，离地球相对较近——天体物理学家决定使用大量可以在整个电磁波谱中观察的望远镜来详细研究这个“附近”的事件。

为了用近红外波长对事件进行成像，该团队迅速启动了夏威夷双子座天文台的成像。与双子座一起观察了两天后，拉斯蒂内贾德担心她无法获得清晰的视野。

“夏威夷的天气正在恶化，我们非常失望，因为我们开始发现这次爆发不同于我们之前所见的任何迹象，”她说。“幸运的是，西北大学为我们提供了对亚利桑那州MMT天文台的远程访问权限，第二天，一台理想的仪器就被安装在了该望远镜上。那里多云，但望远镜操作员知道这次爆发有多重要，并发现了两者之间的差距云来拍摄我们的图像。实时获取这些图像压力很大，但也很令人兴奋。”

“千新星的迹象”

在检查了近红外图像后，该团队发现了一个极其微弱的物体，该物体很快就消失了。超新星不会很快消失并且更亮，因此该团队意识到他们发现了一些以前认为不可能的意外情况。

“我们的夜空中有很多物体很快就会消失，”方说。“我们在不同的滤镜中对源进行成像以获得颜色信息，这有助于我们确定源的身份。在这种情况下，红色占主导地位，而蓝色则褪色得更快。这种颜色演变是千新星的明显特征，而千新星可以只来自中子星合并。”

由于中子星是干净、致密的物体，研究人员此前认为中子星所含的物质不足以为长时间的伽马射线暴提供能量。另一方面，大质量恒星的质量可能是太阳的数十到数百倍。当垂死的恒星坍缩时，它的物质向内坠落，为新形成的黑洞提供食物。但是，由于黑洞的磁场，一些向内坠落的物质以接近光速的速度向外发射——为伽玛射线暴提供动力。

“当你把两颗中子星放在一起时，那里的质量并不多，”方解释道。“一点点质量积累，然后为持续时间非常短的爆发提供动力。在大质量恒星坍塌的情况下，传统上会为更长的伽马射线爆发提供动力，因此进食时间更长。”

这张叠加在哈勃太空望远镜拍摄的图像上的双子座北图像显示了长伽玛暴(GRB211211A)产生的千新星的明显近红外余辉。这一发现挑战了流行的理论，即长伽玛射线暴完全来自超新星，即大质量恒星的生命终结爆炸。图片来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/M。扎马尼;美国宇航局/欧空局

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该事件并不是研究中唯一奇怪的部分。GRB的宿主星系也很好奇。名为SDSSJ140910.47+275320.8的宿主星系年轻且正在形成恒星，几乎与另一个已知的中子星合并事件的本地宇宙宿主完全相反：GW170817的宿主星系NGC4993。为了分析宿主星系，该团队使用了来自WM凯克天文台的数据。

“在探测到GW170817及其与一个巨大的、红色和死亡的宿主星系的联系之后，许多天文学家认为近宇宙中的中子星合并宿主看起来与NGC4993相似，”西北大学研究生AnyaNugent说。研究合著者。“但这个星系相当年轻，正在积极形成恒星，实际上并没有那么大。事实上，它看起来更类似于在宇宙深处看到的短伽马暴宿主。我认为它改变了我们对我们应该观察的星系类型的看法。正在寻找附近的千新星。”

它还改变了天体物理学家寻找重元素(例如铂金和黄金)的方式。尽管研究人员已经能够研究产生较轻元素(例如氦、硅和碳)的天文工厂，但天体物理学家认为超新星爆炸和中子星合并会产生最重的元素。然而，很少观察到他们创作的清晰签名。

“Kilonovae由宇宙中一些最重元素的放射性衰变提供动力，”Rastinejad说。“但是千新星很难观察到并且很快就会消失。现在，我们知道我们也可以利用一些长的伽马射线暴来寻找更多的千新星。”

现在詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)正在运行，天体物理学家将能够在千新星内寻找更多线索。由于JWST能够捕获天体的图像和光谱，因此它可以检测到从天体发出的特定元素。使用韦伯，天体物理学家最终可能获得重元素形成的直接观测证据。

“不幸的是，即使是最好的地面望远镜也不够灵敏，无法进行光谱分析，”Rastinejad说。“通过JWST，我们可以获得千新星的光谱。这些谱线提供了直接证据，表明你已经检测到最重的元素。”

这篇研究论文的标题是“在350Mpc下长时间伽马射线爆发后的千新星”。