天文學家利用美國太空總署的JWST 和其他望遠鏡探測到了中子星碰撞產生的明亮伽馬射線暴，從而首次在太空中直接觀測到了碲等重金屬。這項發現揭示了宇宙中重元素的起源。

天空中一陣非同尋常的高能量光線將天文學家指向了距離地球9億光年的一對金屬鍛造中子星。天文學家利用多個天文台，在兩顆合併的中子星中直接探測到了碲。

包括麻省理工學院科學家在內的一個國際天文學家團隊在最近發表在《自然》雜誌上的一項研究中報告說，他們探測到了一個極其明亮的伽馬射線暴（GRB），這是宇宙中已知的最強大的爆炸類型。這個特殊的伽馬射線暴是迄今為止探測到的第二亮的伽馬射線暴，天文學家隨後追溯到該伽馬射線暴的起源是兩顆正在合併的中子星。中子星是大質量恆星坍縮後的超密度內核，被認為是宇宙中許多重金屬的誕生地。

太空中重金屬的證據

研究小組發現，當這些恆星相互盤旋並最終合併時，它們以GRB 的形式釋放出巨大的能量。而且，天文學家們也首次在恆星的殘骸中直接偵測到了重金屬的跡象。具體地說，他們捕捉到了碲的清晰信號，碲是一種重金屬，有輕微毒性，在地球上比鉑還要稀有，但被認為在整個宇宙中都很豐富。

在這張藝術家的構想圖中，兩顆中子星開始合併，噴射出高速粒子流並產生碎片雲。資料來源：A. Simonnet（索諾瑪州立大學）和戈達德太空飛行中心

天文學家估計，合併釋放的碲足以相當於300 個地球的質量。如果碲是存在的，那麼合併一定也攪動了其他密切相關的元素，例如碘，碘是地球上大部分生命所必需的礦物質營養元素。

全球天文努力

這項發現是全球天文學家共同努力的結果，他們使用了美國太空總署的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）以及其他地面和太空望遠鏡，包括美國太空總署的TESS衛星（麻省理工學院領導的一項任務）和智利的甚大望遠鏡（VLT）。

這項研究的合著者、麻省理工學院卡弗里天體物理與空間研究所博士後本傑明-施奈德（Benjamin Schneider）說：”這一發現是我們對宇宙中重元素形成地點的認識向前邁出的重要一步，它展示了將不同波長的觀測結合起來揭示這些能量極高的爆炸的新見解的威力。”

這項研究由荷蘭拉德布德大學（Radboud University）的安德魯-萊萬（Andrew Levan）和英國華威大學（University of Warwick）共同領導。

2023年3月7日，NASA的費米伽瑪射線太空望遠鏡探測到了最初的爆發，並確定這是一次異常明亮的伽瑪射線暴，天文學家將其命名為GRB 230307A。

麥可法斯諾當時是麻省理工學院的研究科學家，現在是德州理工大學的助理教授。”在伽馬射線天文學中，你通常要計算單個光子。但是有這麼多光子射入，探測器無法分辨單個光子，這有點像將儀表打到了最大值。”

JWST/NIRCam 拍攝的GRB 230307A 星場影像，顯示了相關的千新星及其宿主星系。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Andrew Levan（IMAPP、Warw）

這次超亮爆發的時間也特別長，持續了200秒，而中子星合併通常會產生短GRB，閃爍時間不到兩秒。這種明亮而持久的耀斑立即引起了全世界的興趣，天文學家們將大量其他望遠鏡對準了這個爆發。這次，伽瑪射線爆發的亮度對科學家有利，因為太陽系各地的衛星都偵測到了伽瑪射線耀斑。透過對這些觀測數據進行三角測量，天文學家鎖定了伽瑪射線暴的位置–在南天的山案座內。

在麻省理工學院，施耐德和法斯諾加入了多管齊下的搜尋。在費米首次偵測到GRB 230307A後不久，Fausnaugh檢查了TESS衛星拍攝的資料中是否出現了這一爆發，而TESS衛星恰好指向最初探測到GRB 230307A的同一片天空。Fausnaugh 回過頭來查看了TESS 的那部分數據，發現了這個爆發，然後從頭到尾追蹤了它的活動。

“我們可以同時看到所有的東西，”Fausnaugh 說。”我們看到了一個非常明亮的閃光，接著是一個小凸起，或者說是餘輝。這是一條非常獨特的光曲線。如果沒有TESS，幾乎不可能觀測到與伽馬射線同時出現的早期光學閃光。”

同時，施奈德用另一個地面望遠鏡：智利的甚大望遠鏡（VLT）對此爆發進行了研究。作為在這台望遠鏡上運行的大型伽瑪射線暴觀測項目的成員，施奈德碰巧在費米首次觀測後不久值班，並將望遠鏡對準了射線暴。

VLT 的觀測結果與TESS 的數據相吻合，並揭示了一個同樣奇特的模式： GRB的發射似乎從藍色波長迅速過渡到了紅色波長。這種模式是千新星的特徵–千新星是一種大爆炸，通常發生在兩顆中子星相撞時。麻省理工學院研究小組的分析，結合世界各地的其他觀測結果，幫助確定了這個GRB很可能是兩顆中子星合併的產物。

追蹤中子星合併

合併本身源自何處？為此，天文學家們求助於JWST 的深視野觀測，因為JWST 比其他任何望遠鏡都能看得更遠。天文學家利用JWST 觀測了GRB 230307A，希望找出中子星起源的宿主星系。望遠鏡的影像顯示，奇怪的是，GRB 似乎與任何宿主星係都沒有連結。但附近似乎確實有一個星系，距離大約12 萬光年。

望遠鏡的觀測結果表明，這些中子星是從附近的星系中被踢出來的。它們很可能是作為雙星系統中的一對大質量恆星形成的。最終，這兩顆恆星都坍縮成了中子星，在強大的事件中，這對中子星被”踢”出了它們的母星系，導致它們逃到了一個新的地方，在那裡，它們慢慢地相互盤旋，幾億年後，它們合併了。

在合併產生的高能量輻射中，JWST 也偵測到了一個清晰的碲訊號。雖然大多數恆星都能產生鐵以下的輕元素，但人們認為宇宙中所有其他較重的元素都是在中子星合併等更極端的環境中形成的。JWST對碲的探測進一步證實了最初的伽馬射線暴是由中子星合併產生的。

施耐德說：”對於JWST來說，這只是個開始，它已經帶來了巨大的變化。在未來幾年裡，將會探測到更多的中子星合併。JWST 與其他​​強大天文台的結合對於揭示這些極端爆炸的本質至關重要。”