詹姆斯·韦伯太空望远镜发现中子星合并在宇宙中锻造黄金

拓破天峙

两颗中子星碰撞并合并产生基洛诺瓦爆炸的插图。（图片来源:罗宾·迪内尔/卡内基科学研究所）

（）据美国太空网（罗伯特·李）：科学家们分析了一种异常长的高能辐射爆炸，称为伽马射线爆发（GRB），并确定它源于两颗超密度中子星的碰撞。重要的是，这一结果帮助研究小组观察到同一事件发出的闪光，证实这些合并是产生黄金等元素的场所。

利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和哈勃太空望远镜进行的观测使科学家们能够看到黄金和重元素的锻造，这可以帮助我们更好地理解这些强大的中子星合并事件如何在宇宙中产生唯一一个足够动荡的环境，以产生比铁更重的元素，例如银和金，从而产生一种称为基洛诺瓦的闪光。

研究小组成员、罗马大学天体物理学家埃莉诺拉·特罗亚告诉《Space.com》:“用哈勃和JWST望远镜强大的眼睛来研究一颗前所未见的基洛诺娃真是令人兴奋。”“这是我们第一次能够证实比铁和银重的金属是在我们面前新鲜制造的，”

伽马射线暴是已知宇宙中最强大的能量爆炸，以前曾与中子星合并有关——但这次发现不同。

这些现象可以分为两组。一方面，有持续2秒以上的长暴，另一方面，有持续不到2秒的短暴。虽然中子星合并与短伽马射线暴有关，但长伽马射线暴被认为是大质量恒星坍缩的结果，而不是这种碰撞的结果。

这次极其明亮而漫长的爆发被命名为GRB 230307A，由美国国家航空航天局费米任务上的设备于2023年3月探测到，持续了200秒；这标志着GRB有史以来第二精力充沛。它似乎与一颗编号为2017gfo的基洛诺娃和一颗发生在大约830万光年外的中子星合并有关，打破了通常的GRB惯例，并对这些高能辐射爆炸如何发射的理论提出了挑战。

罗马大学博士后天体物理学家、研究小组负责人于？告诉记者:“很难想象来自致密双星合并的伽马射线暴持续时间可以延长到几十秒。”。

伽马射线的发现可能是一座宇宙金矿

恒星就像锻造元素周期表中元素的恒星熔炉，从氢在其内核中核聚变为氦开始，然后氦聚变为氮、氧和碳等更重的元素。

质量最大的恒星，大约是太阳的7到8倍，可以在它们的心脏中锻造元素直至铁。一旦恒星内核充满了这种元素，核聚变就会停止。这也切断了数百万年甚至数十亿年来支撑恒星对抗自身引力的向外能量线。然后这些大质量恒星的核心在这种毁灭性的引力下坍塌，在超新星爆炸中吹走它们的外层。

这种坍缩改变了恒星内核，将电子和质子粉碎成流动中子的海洋，中子是原子核中很少“自由”存在的粒子。然而，在这片海洋中，中子被一种名为中子简并压的量子原理阻止挤压在一起，而中子简并压可以被足够大的质量所克服，从而产生黑洞。但有时没有足够的质量让黑洞形成。

那些没有质量来克服简并压力的死亡恒星核心留下了12英里（20公里）宽的黑洞，质量是太阳的1到2倍。然而，有一种方法可以使中子星向宇宙贡献比铁更重的元素。

并非所有的中子星都是单独存在的。

一些在中子星双星系统中穿越宇宙，这意味着它们的引力魔爪中还有另一颗中子星。当这些死亡的恒星相互环绕时，它们使空间结构产生了称为引力波的涟漪，逐渐从系统中带走角动量。

这导致中子星螺旋在一起，发出更快的久而久之引力波，并一前一后“泄漏”更多的角动量。最终，两者碰撞并融合。这种碰撞产生了伽马射线爆发，并发出富含中子的物质喷雾，有助于产生元素周期表中的较重元素。

这些碰撞周围的其他原子核通过快中子俘获过程（r过程）捕获自由中子，并成为短暂存在的超重元素，称为“镧系元素”。这些镧系元素随后迅速衰变为较轻的元素（尽管这些元素仍然比铅重。）这种衰变导致辐射的发射，我们从地球上看到的光称为“基洛诺瓦”因此，追踪基洛诺瓦的演化有助于跟踪金和银等元素的创造。

“中子星合并可能会产生一个广泛合成重元素的理想环境，这是目前人工创造无法实现的，”杨说。“研究中子星合并有助于我们重写核合成的晦涩章节。“

宇宙炼金术在行动

杨解释说，在几周到几个月的时间里，基诺娃的行为范围很广。这些行为取决于喷射物质的成分和合并点中心形成的残余物的类型。

对大多数基诺娃的观察并没有延伸到它们进化的这么晚的时间——但在2017gfo却不同。然而，不幸的是，由斯皮策太空望远镜收集的AT2017gfo的后期观测数据有限。它们只能提供被基洛诺瓦主星系污染的微弱信号，并且在不同波长的光下覆盖范围不足。

“在最初的几天里，基洛诺娃的行为不受其化学成分的影响，”Troja解释说。“需要几周时间才能揭示爆炸中锻造的金属，我们从未有机会盯着一颗基洛诺娃看那么久。”

这些限制阻碍了科学家更好地理解基洛诺瓦及其产生过程。

然而，在AT2017gfo的情况下，和哈勃观测的灵敏度和多色覆盖范围使杨及其同事能够在后期观测到这颗千新星的光度。

“我们跟踪了与GRB 230307A爆发后两个月相关的瞬态事件的演变，并捕捉到了这一瞬态从蓝到红的完整演变过程，这可以被归类为基洛诺瓦，”杨说。“我们在后期发现了光球半径的衰退。渐行渐远的光球半径为重元素（如镧系元素）在冷却过程中的重组提供了证据。需要大量的r-process元素来产生观察到的数据。”

这证实了中子星合并确实锻造了比黄金更重的元素，甚至证实了长伽马射线暴可以来自中子星合并。人们认为，它还没有解开这个特殊的中子星合并为什么会产生如此异常长的GRB的谜团。

“这一事件证明，来自紧凑的二元合并的长期GRB不是偶然发生的，”杨说，并补充说，关于这些事件还有很多问题需要回答。“对基洛诺瓦的晚期观测能为核合成提供什么启发性的启示？

“我们期待未来对长持续时间伽马射线爆发、基洛诺瓦和引力波的联合观测，这将有助于揭开关于这些异常值的神秘面纱。”

该团队的研究于周三（2月21日）发表在《自然》杂志上。