超长爆炸挑战了我们的宇宙灾难理论广达杂志

11 年 2021 月 120 日，一束伽马射线（能量最高的光形式）撞击了 NASA 的雨燕卫星。 XNUMX 秒内，卫星转向爆炸地点，发现了宇宙灾难的炽热余烬。 十分钟后，世界各地的天文学家收到了警报。

其中有 吉利安·拉斯蒂内贾德，西北大学研究生。 对于拉斯廷贾德和她的合作者来说，这次伽马射线暴看起来与 2006 年发生的一次不寻常的爆发非常相似。拉斯廷贾德打电话给夏威夷的双子座天文台，并招募那里的研究人员深入观察伽马射线暴产生的那片天空。 几天后，当云层滚滚而来时，亚利桑那州 MMT 天文台的一名研究人员接手了任务，尽最大努力将望远镜瞄准十亿光年外的光衰点。

拉斯廷贾德说，考虑到那里的天气也在发生变化，这是一个不小的壮举。 “她每天凌晨 4 点左右都会在云层中为我们找到一个洞。”

大约一周后，当一系列观测结束时，拉斯廷贾德和她的同事们已经非常清楚是什么在宇宙中发射了这些伽马射线。 正如他们所看到的，爆炸的余波变得越来越红——这是一个明确的迹象，表明在碎片中，金和铂等重原子正在被锻造。 这种宇宙炼金术的主要来源是中子星的碰撞，中子星是死亡太阳的密度难以想象的核心。

唯一的问题是这样的结论似乎不可能。 天体物理学家怀疑，当中子星合并时，一切都会在不到一秒的时间内结束。 但斯威夫特记录了一场持续相对漫长的 51 秒的伽马射线轰击——通常是一种截然不同类型的宇宙戏剧的标志。

从那时起，天文学家发现了更多类似的事件。 最近一次发生在 35 月份，当时检测到的第二亮伽马射线暴持续了 XNUMX 秒。 天文学家再次观察到中子星碰撞后的红润后果。 他们还招募了詹姆斯·韦伯太空望远镜 研究奇异的爆发 并在沉降的尘埃中发现了重元素碲的迹象。

总之，这一系列的观测给大多数研究人员认为已经解决的天文学领域带来了一个新的谜团：是什么导致这些所谓的快速、猛烈的事件爆发伽马射线这么长时间？ 如果天体物理学家想要实现更雄心勃勃的目标，即了解宇宙中所有不同元素的起源（其中许多元素都是从这些剧烈的爆发中诞生的），那么这就是天体物理学家必须解决的一个难题。

“看到这个我真的很兴奋，”说 丹尼尔·卡森是加州大学伯克利分校的天体物理学家，专门研究宇宙爆炸。 “这提出了一个真正的难题。”

冷战，辉煌的爆炸

如今，斯威夫特每隔几天就会捕获一次伽马射线爆发。 但这些爆炸直到冷战高峰期才突然出现，人们对此一无所知。 1960 世纪 XNUMX 年代，美国空军发射了 Vela 卫星，以确保苏联遵守核武器试验禁令。 如果苏联在太空引爆核弹，所产生的伽马射线闪光（与原子核一样短的高能光波）将无法隐藏。

卫星没有发现任何苏联的违规行为。 但在 1969 年至 1972 年间，他们确实开始了 16个神秘闪光 洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员确定伽马射线具有“宇宙起源”。

在接下来的几十年里，美国宇航局开始了这项调查。 航天局发射了 专用突发搜索卫星 1991 年以及接下来的 3,000 年里，它探测到了近 XNUMX 次伽马射线暴。 这些活动有两种形式：短的和长的。 大多数短爆发持续不到一秒，而许多长爆发持续一分钟或更长时间（两种口味之间的分界线约为两秒）。

无论是什么原因导致这些爆发似乎都是灾难性的。 在不到一首流行歌曲一半的时间里，它们释放出的能量大约相当于太阳数十亿年来产生的能量。 什么东西能发出如此耀眼的光芒？ 天体物理学家最初并不确定，但其中所蕴含的巨大能量预示着世界末日的灾难。 这两种持续时间暗示了两种类型的灾难，一种较快的灾难持续约一秒，一种（稍微）较慢的灾难持续一分钟左右。

天文学家首先发现了较慢爆发的起源。 1990 世纪 2003 年代末，当研究人员能够更好地确定爆发的方向时，他们开始捕捉到暗示宇宙爆炸的余辉。 然后，在 XNUMX 年，天文学家在观察附近的余辉时发现了 超新星的绚丽烟花 就在长时间的伽马射线爆发几天后：这次爆发标志着一颗巨星死亡的第一阶段。

理解更快的灾难还需要十年的时间和更锋利的工具。 事实证明，突破性的仪器是美国宇航局的雨燕卫星。 Swift 于 2004 年发射，具有一米长的图案铅板，可以从大范围的天空捕获伽马射线。 至关重要的是，它还具有独特的能力，可以朝着任何天文爆发的方向快速旋转一对机载望远镜。 （根据 Swift 科学家的传说，这种傻瓜相机技术的部分开发是为了另一个冷战防御项目：罗纳德·里根的战略防御计划——非正式地称为“星球大战”——旨在击落飞行中的核导弹。 ）

借助 Swift，天文学家现在可以在两分钟内观测到爆发——速度足够快，首次捕捉到短伽马射线爆发的余辉。 在观察最初的闪光消退时，天文学家还看到了随后爆炸的迹象，随着时间的推移，爆炸的颜色变得越来越红。 天体物理学家很快计算出，在涉及中子星的合并（可能是两颗中子星之间或中子星和黑洞之间的粉碎）之后，这种红色是可以预料到的。 这样的碰撞会排出阻挡更短、更蓝波长的光的碎片。 这些被称为千新星的爆炸与之前短暂的伽马射线闪光相匹配，提供了强有力的间接证据，证明中子星合并是短暂的灾难。

直接证据 17 年 2017 月 XNUMX 日，附近的两颗中子星相撞并震动了时空结构，产生了激光干涉引力波天文台 (LIGO) 可以探测到的引力波。 通过读取这些涟漪中编码的信息，科学家随后计算出碰撞物体的质量并得知它们是中子星。 引力波到达后不久，费米伽马射线太空望远镜就捕捉到了长达两秒的伽马射线爆发。 在接下来的几天里，天文学家在伽马射线爆发的同一地点看到了千新星的变红。 这 三个连续观察 毫无疑问：短时爆发可能来自中子星合并。

“这巩固了一切，”说 布莱恩·梅茨格（Brian Metzger）哥伦比亚大学天体物理学家，也是第一个预测合并后的千新星是什么样子的理论家之一。 “[我们想]‘好吧，这张照片确实很有意义。’”

现在，这种景象开始破裂。

第三幕的转折

首先是拉斯廷贾德的 51 年末 2021 秒爆发。 它看起来很像 2006 年附近的一次长时间爆发，但令人费解的是，它似乎没有超新星。 但凭借现代仪器和对寻找目标的更深入了解，拉斯蒂内贾德和同事能够看到天文学家在 2006 年没有看到的东西：2021 年的爆发之后出现了暗红色的千新星。

这一观察激发了 安德鲁·莱文 拉德堡德大学的教授重新审视了他自 64 年以来一直困惑的神秘的 2019 秒爆发。这次爆发发生在一个古老星系的中心，那里的恒星诞生和死亡（以超新星的形式）在亿万年前就已经停止了。 在六月， 莱文和他的合作者争论 对于它们的长时间爆发，最可能的解释是两颗恒星尸体——至少其中一颗可能是中子星——找到了彼此并合并了。

现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜为异常爆发后的情况提供了迄今为止最清晰的视野。 35 月 7 日，当 XNUMX 秒的爆发到达地球时，斯威夫特的伽马射线感应铅板面向不同的方向。 这些高能射线主要是由费米探测到的，费米将其视为有史以来第二亮的伽马射线暴（仅次于 创纪录的事件 在2022）。

天文学家使用星际航天器舰队（包括火星和水星的探测器）来代替斯威夫特来确定爆发的位置。 几天后，当地面望远镜再次看到千新星的标志性变红时，莱文迅速发出了紧急请求，要求对这一事件进行几乎实时的 JWST 观测。 “对我们来说幸运的是，他们答应了，”莱文说。 “这使我们能够在最初爆发后一个月左右获得这些观察结果。”

詹姆斯韦伯太空望远镜从滚滚碎片场收集了大量数据。 光学望远镜无法深入观察厚厚的千新星云，这正是该事件令天体物理学家着迷的原因：它通过一系列神秘的事件链喷出巨大的、遮光的原子，这些事件被称为“千新星云”。 r-过程。

恒星通常将氢原子融合成氦，然后将较轻的原子融合成稍重的原子，如氧和碳。 这 r-过程是直接跳跃到最重的自然存在元素的唯一方法之一。 这是因为中子星碰撞会产生密集的中子漩涡。 在混乱中，中子反复钻入原子核，形成高度不稳定的放射性原子。 当这些原子中的中子衰变时，它们转变为质子。 如果最终有 78 个质子，那就是一个铂原子。 如果你得到 79 个质子，那就是黄金。

中子星尘埃形成的大体积原子阻挡可见光，大部分在红外光下发光。 这就是为什么 JWST（红外望远镜）非常适合观测千新星云。 “我们以前从未用 JWST 观察到过千新星，”梅茨格说。 “这是完美的乐器。”

在碎片中，JWST 发现了碲原子（52 个质子），这证实了中子星合并可以在元素周期表第五行末尾形成相当重的元素。 “它比我们以前见过的元素重得多，”莱文说。

但与此同时，JWST 的观测让人们越来越认识到，无论曾经看起来多么不可能，涉及中子星的合并都可以产生长伽马射线爆发。 现在的问题是：如何？

密集物体，长爆发

超新星会射出长伽马射线爆发，因为恒星爆炸相对缓慢且混乱。 巨星的死亡始于其中心塌陷成黑洞。 发生这种情况后，大量的外部恒星物质（可能达到几个太阳的质量）螺旋进入黑洞，发射强大的粒子流，将伽马射线发射到真空中长达几分钟。

相比之下，中子星合并应该会在一瞬间结束。 中子星将太阳左右的质量压缩成一个直径只有几英里的光滑微小球体。 当其中两个致密球体碰撞时——或者当其中一个球体撞击黑洞时——物质就会塌缩成黑洞。 在最后的痉挛期间，被抛入轨道的剩余物质比恒星坍缩时要少得多。 当黑洞吞下这种重量可能比太阳轻十倍的轻食时，它会短暂地为持续十分之一秒的喷流（和伽马射线暴）提供动力。

莱文、拉斯蒂内贾德和其他人的新观察结果与这种快速而清晰的中子星合并图像相冲突。 “对于一个生命周期只有几分之一秒的系统来说，突发 10 秒是没有任何意义的。” 奥雷·戈特利布是熨斗研究所的计算天体物理学家，他没有参与这些观测。

一种可能性是，比中子星更大、更混乱的东西正在发出这些持久的爆炸。 特别是，它们较长的持续时间更自然地适合白矮星（当小恒星耗尽燃料时留下的一种较大的恒星尸体）与黑洞或中子星之间的合并。 这种情况会导致黑洞周围有更多物质。 但目前尚不清楚涉及白矮星的碰撞是否会产生正确类型的伽马射线爆发，甚至是千新星。 “整个现象的研究要少得多，”伯克利的卡森说。 “我们现在正在努力。”

另一种选择是，长伽马射线爆发根本不是来自新生黑洞的盛宴。 相反，如果你将两颗微小的中子星粉碎在一起，并且产生的斑点旋转得足够快，它可能会在几分钟内抵抗塌缩成黑洞。 这个短命天体将是一颗高度磁化的中子星——“磁星”——当它的旋转减慢时，它会发射出更长的伽马射线爆发。 梅茨格帮助充实了这个场景，但即使他也认为这是一个激进的想法。 “我仍然对此抱有合理的怀疑，”他说。

梅茨格说，最保守的可能性是，涉及中子星的合并比天体物理学家想象的更混乱。 夏天时， 详细的模拟 由 Gottlieb 领导的一项合作表明，情况可能经常如此。 特别是，当一颗轻中子星遇到一个足够重的旋转黑洞时，中子星会盘旋进入，黑洞会在数百个轨道上将其撕碎，留下一个较重的物质盘，黑洞需要数十秒的时间才能消耗掉。 在模拟物体之间的碰撞时 中子星和黑洞戈特利布、梅茨格和合作者发现，较重的圆盘驱动更长的伽马射线爆发是很常见的。

事实上，具有讽刺意味的是，他们的模拟并没有像产生长爆发那样容易地产生经常观察到的短爆发，这引发了关于短爆发的动力到底是什么的问题。

“我们并不[完全]理解这些事情，”戈特利布说。 “我认为这可能是现在最大的问题。”

填补空白

为了弄清楚死亡恒星碰撞时到底发生了什么，天文学家需要加倍努力来建立详细的伽马射线爆发目录，因为他们认为是一批主要由超新星驱动的爆炸现在看来是混合在一起的一些未知数量的中子星合并。 这将需要在长爆发和短爆发之后寻找千新星——碰撞的特征。 如果长和短之间的区别仍然存在，这可能表明存在不止一种方法来烹饪千新星。

“我们了解到，只要有一个相对较近的活动，我们就应该去参加，”拉斯廷贾德说。

LIGO 也将发挥关键作用。 在最近这些奇怪的爆发期间，天文台因升级而离线，但目前正在进行第四次运行，监听远处的碰撞。 如果 LIGO 能够接收到来自长伽马射线爆发的引力波，科学家们就能知道是否涉及中子星或黑洞。 这也将使他们能够排除白矮星，因为白矮星不会使 LIGO 检测到引力波。 未来天文台中波浪的详细摆动甚至可能提供有关直接产物是磁星还是黑洞的暗示。

“（引力波）确实将是解决这个问题的唯一确定的方法，”梅茨格说。

通过感知中子星合并的引力隆隆声并观察伽马射线爆发和千新星，天体物理学家可能最终实现他们的长期目标，即充分解释宇宙中每种物质（从氢到铂到钚）的起源。 为此，他们需要知道发生什么类型的合并、每种类型的合并频率、每种类型产生哪些元素和数量，以及超新星等其他事件发挥什么作用。 这是一项艰巨的任务，才刚刚开始。

“仍然有一个核心目标是找出元素周期表中每个元素形成的天体物理地点，”莱文说。 “仍然存在空白，因此我们认为这正在开始填补其中几个重要的空白。”

编者注：熨斗研究所由西蒙斯基金会资助，该基金会也资助这本编辑独立的杂志。 熨斗研究所和西蒙斯基金会对我们的报道没有任何影响。 提供更多信息 相关信息.