近二十年來，天體物理學家一直認為長伽馬射線暴（GRBs）僅僅是由大質量恆星的坍縮產生。現在，一項新的研究顛覆了這一長期以來被接受的信念。在西北大學的領導下，一個天體物理學家小組發現了新的證據，即至少一些長的GRB可以由中子星合併產生，而以前人們認為中子星合併只產生短的GRB。

藝術家對GRB 211211A的印象。右邊是千新星和伽馬射線爆發的情況。藍色代表沿兩極擠壓的物質，而紅色表示由兩顆吸入的中子星噴出的物質，現在正圍繞著合併後的物體旋轉。合併後發出的噴射物盤，隱藏在紅色和藍色噴射物的後面，以紫色顯示。一股快速噴射的物質（以黃色顯示）衝過了千新星。該事件發生在距離其宿主星系（左）約8千帕的地方。資料來源：Aaron M. Geller/西北大學/IERA和IT研究計算服務部

在2021年12月探測到一個50秒長的GRB之後，該小組開始尋找長GRB的餘輝，這是一個令人難以置信的、快速消逝的光爆，通常在超新星之前。但是，相反，他們發現了千新星的證據，這是一個罕見的事件，只有在中子星與另一個緊湊物體（另一顆中子星或一個黑洞）合併後才會發生。

除了挑戰長期以來關於GRB是如何形成的既定信念之外，這項新發現還導致了對宇宙中最重元素的神秘形成的新認識。

這項研究於12月7日發表在《自然》雜誌上。

領導這項研究的西北大學的Jillian Rastinejad說：”這個事件看起來與我們以前看到的長伽瑪射線暴不同。它的伽馬射線類似於那些由大質量恆星坍縮產生的爆裂。鑑於我們觀察到的所有其他確認的中子星合併都伴隨著持續時間不到兩秒的爆發，我們完全有理由期待這個50秒的GRB是由一顆大質量恆星的坍縮產生的。這個事件代表了伽馬射線暴天文學的一個令人興奮的範式轉變。”

“當我們跟踪這個長伽馬射線暴時，我們預計它將導致大質量恆星坍縮的證據，”西北大學的Fong說，他是這項研究的高級作者。”相反，我們發現的情況卻非常不同。當我15年前進入這個領域時，長伽馬射線暴來自於大質量恆星坍縮，這已經是定論了。這個意外的發現不僅代表了我們認識上的一個重大轉變，而且令人激動地打開了一扇新的發現之窗。”

Fong是西北大學溫伯格文理學院的物理學和天文學助理教授，也是天體物理學跨學科探索與研究中心（CIERA）的主要成員。Rastinejad是天文學博士生，也是Fong研究小組的成員，是論文的第一作者。

作為自大爆炸以來最明亮和最有能量的爆炸，GRBs被分為兩類。持續時間少於兩秒的GRB被認為是短GRB。如果一個GRB的時間超過兩秒，那麼它就被認為是長GRB。研究人員此前認為，分界線兩邊的GRB一定有不同的起源。

2021年12月，尼爾-蓋爾斯-斯威夫特天文台的爆裂警報望遠鏡和費米伽馬射線空間望遠鏡發現了一個明亮的伽馬射線光爆，被命名為GRB211211A。GRB211211A的長度剛剛超過50秒，最初看起來並沒有什麼特別之處。但是，位於大約11億光年之外–不管你信不信，這離地球比較近–天體物理學家決定詳細研究這個”附近”的事件，使用大量的望遠鏡，可以觀察整個電磁波譜。

為了用近紅外波長對該事件進行成像，該團隊迅速啟動了與夏威夷雙子座天文台的成像。在檢查了近紅外圖像後，研究小組發現了一個令人難以置信的微弱物體，它很快就消失了。超新星不會消退得那麼快，而且要亮得多，所以研究小組意識到它發現了一些以前被認為不可能的意外情況。

Fong說：”在我們的夜空中，有很多天像表現會迅速消退。我們用不同的濾鏡對一個來源進行成像，以獲得顏色信息，這有助於我們確定該來源的身份。在這種情況下，紅色佔了上風，而較藍的顏色消逝得更快。這種顏色的演變是千新星的標誌，而千新星只能來自中子星的合併。”

由於中子星是緊湊的天體，研究人員以前認為中子星不包含足夠的物質來驅動一個長時間的GRB。另一方面，大質量恆星的質量可以是我們太陽的幾十到幾百倍。當垂死的恆星坍縮時，它的物質向內墜落，為新形成的黑洞提供能量。但是，由於黑洞的磁場，一些向內降落的物質以接近光速的速度向外發射–為GRB提供能量。

“當你把兩顆中子星放在一起時，那裡其實沒有多少質量，”Fong解釋說。”但看似不多的質量會快速增加，然後為一個非常短的爆發提供動力。在大質量恆星坍縮的情況下，為較長的伽馬射線暴提供動力，通常需要有一個較長的’餵養’時間。”

該事件並不是該研究中唯一奇怪的部分。該伽馬射線暴的宿主星係也相當令人好奇。命名為SDSS J140910.47+275320.8的宿主星係是年輕的、正在形成恆星的，幾乎與其他唯一已知的本地宇宙中子星合併事件的宿主完全相反。GW170817的宿主星系NGC4993。為了分析這個宿主星系，研究小組使用了來自WM Keck天文台的數據，西北大學擁有特殊的遠程訪問權。

“在探測到GW170817和它與一個巨大的、紅色和死亡的宿主星系的聯繫之後，許多天文學家認為近宇宙中中子星合併的宿主將看起來與NGC4993類似，”西北大學天文學博士生和研究報告的共同作者Anya Nugent說。”但是這個星系相當年輕，正在積極形成恆星，而且實際上沒有那麼大的質量。事實上，它看起來更類似於在宇宙深處看到的短GRB宿主。我認為它改變了我們的觀點，即當我們在尋找附近的千新星時，我們應該觀察哪些類型的星系。”

它還改變了天體物理學家可能採取的尋找重元素的方法，如鉑和金。儘管研究人員已經能夠研究產生較輕元素的天文工廠，如氦、矽和碳，但天體物理學家認為超新星爆炸和中子星合併會產生最重的元素。然而，很少有人觀察到它們產生的清晰特徵。

千新星是由宇宙中一些最重的元素的放射性衰變提供能量。但是千新星很難被觀測到，而且消逝得非常快。現在，我們知道我們還可以利用一些長的伽馬射線暴來尋找更多的千新星。

現在，詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）正在運行，天體物理學家將能夠在千新星內尋找更多線索。因為JWST能夠捕捉到天體的圖像和光譜，它可以檢測到天體發出的特定元素。利用韋伯號，天體物理學家最終可能獲得重元素形成的直接觀測證據。

“不幸的是，即使是最好的地基望遠鏡也沒有足夠的靈敏度來進行光譜分析，”Rastinejad說。”通過JWST，我們可以獲得千新星的光譜。那些光譜線提供了直接的證據，你已經檢測到了最重的元素。”