史上最亮伽馬射線暴來自坍縮恒星

王方

2022年10月，一股伽馬射線襲擊了地球，炙烤著大氣層，它的亮度是以往探測到的任何射線的10倍以上，令天文學家驚嘆不已。作為有史以來最亮的伽馬射線暴（GRB），天文學家給它起了個形象的名字——BOAT（brightest of all time，即史上最亮）。現在，天文學家利用美國國家航空航天局的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）確定了GRB的來源，并偶然發現了一個新謎題。

據《科學》報道，研究人員認為，坍縮星產生的極端條件可能會形成自然界最重的一些元素，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，研究人員卻什么也沒看到

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

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

宇宙大爆炸帶來了豐富的氫和氦，但其他92種自然元素都是在恒星的原子核融合成更大原子核時形成的。普通恒星產生較輕的元素，但比鐵重的元素被認為需要在超新星或其他極端爆發事件中產生。

一半的重元素——那些中子最豐富的元素，需要特殊的產生條件。在這種條件下，中子轟擊種核的速度非常快，以至于后者沒有時間衰變——這個過程被稱為快中子捕獲或r過程。科學家通過追溯發現，早期宇宙的恒星含有銪等r過程元素，表明該過程很早就開始了。Kobayashi說：“通過對附近恒星的觀測，我們獲得了證明早期r過程的非常有力的證據。”這迫使天文學家努力尋找可能存在r過程的必要條件。

引力波探測器則提供了線索。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，這次爆發產生了相當于10個地球質量的金和鉑。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，但仍然罕見，只有幾十顆被觀測到。這需要坍縮星足夠大，以使超新星爆發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，產生輻射并釋放粒子，從而創造r過程所需的條件。

這些條件也是產生噴流的關鍵，噴流是指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GRB。Blanchard說，就BOAT（官方編號GRB 221009A）而言，GRB的余輝非常明亮，以至于在最初爆發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，此時余輝消失，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是很明顯的。

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，重元素缺乏仍是令人驚訝的，因為GRB 221009A是探測r過程的主要候選者。

Kobayashi并不擔心未檢測到的情況。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，“出現非常有力的證據可能還需要等待一段時間。”