2022 年10 月，包括西北大學天體物理學家在內的一個國際研究小組觀測到了有史以來最亮的伽馬射線暴（GRB）–GRB 221009A。現在，一個由西北大學領導的研究小組已經證實，造成這一歷史性爆發（被稱為”BOAT”（”有史以來最亮”））的現像是一顆大質量恆星的坍縮和隨後的爆炸。研究小組利用美國國家航空暨太空總署的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）發現了這場爆炸，即超新星。在這項發現解開了一個謎團的同時，另一個謎團也在加深。

藝術家繪製的GRB 221009A 可視圖，顯示了產生GRB 的狹長相對論噴流–從中央黑洞噴出–以及透過超新星爆炸噴出的原始恆星不斷膨脹的殘骸。西北大學博士後研究員彼得-布蘭查德（Peter Blanchard）和他的團隊利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡首次探測到了這顆超新星，證實了GRB 221009A是一顆大質量恆星坍縮的結果。研究的合著者還發現，該事件發生在其宿主星系的密集恆星形成區域，如背景星雲所描繪的那樣。圖片來源：Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

研究人員推測，鉑和金等重元素的證據可能存在於這顆新發現的超新星中。然而，廣泛的搜尋並沒有發現這類元素的特徵。宇宙中重元素的起源仍然是天文學最大的懸而未決的問題之一。

這項研究成果於4月12日發表在《自然-天文學》雜誌。

西北大學的彼得-布蘭查德（Peter Blanchard）是這項研究的負責人，他說：”當我們確認GRB是由一顆大質量恆星的坍縮產生的時候，我們就有機會檢驗宇宙中一些最重元素是如何形成的。這是我們繼續了解這些重元素來源的關鍵資訊。

布蘭查德是西北大學天文物理學跨學科探索與研究中心（CIERA）的博士後，研究超光速超新星和GRB。這項研究的共同作者來自哈佛大學天文物理學中心和史密森尼天文台、猶他大學、賓州州立大學、加州大學柏克萊分校、荷蘭Radbound 大學、太空望遠鏡科學研究所、亞利桑那大學/史都華天文台、加州大學聖塔芭芭拉分校、哥倫比亞大學、Flatiron 研究所、格賴夫斯瓦爾德大學和圭爾夫大學。

第二作者、哈佛大學天體物理學中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）的阿什利-維拉爾（Ashley Villar）說：”這一事件尤其令人興奮，因為有人曾假設，像BOAT這樣的高能量伽馬射線暴可能會產生大量的重元素，例如金和鉑。令人震驚的是，我們並沒有看到這些重元素的任何證據。 “

BOAT 的誕生

2022年10月9日，當它的光芒照耀地球時，BOAT是如此明亮，以至於世界上大多數伽馬射線探測器都被它的光芒所淹沒。這次強烈的爆炸發生在距離地球約20 億光年遠的人馬座方向，持續了幾百秒鐘。當天文學家們爭先恐後地觀測這令人難以置信的明亮現象的起源時，他們立刻被一種敬畏感所擊中。

西北大學溫伯格藝術與科學學院物理學和天文學副教授、CIERA成員方文輝當時說：”只要我們能夠探測到GRB，那麼毫無疑問，這個GRB是我們目睹過的最亮的GRB，亮度達到了10倍或更多。

布蘭查德說：「這次事件產生了一些專門用於探測伽馬射線的衛星所記錄到的最高能量的光子。這是地球每一萬年才能看到一次的事件。我們很幸運地生活在這樣一個時代，我們擁有探測宇宙中發生的這些爆發的技術。

一顆”正常”超新星

布蘭查德、維拉爾和他們的團隊並沒有立即對這一事件進行觀測，而是希望在它的後期階段對其進行觀測。在最初探測到伽馬射線暴約六個月後，布蘭查德和維拉爾利用JWST 對其後期進行了觀測。

布蘭查德說：「GRB是如此明亮，以至於在爆發後的最初幾周和幾個月裡，它掩蓋了任何潛在的超新星特徵。在這些時間裡，GRB的所謂餘輝就像一輛汽車的頭燈直射向你，讓你無法看到汽車本身。

維拉爾說：”我們很幸運，因為JWST 剛剛發射，可以進行這些觀測。銀河恰好位於BOAT 的前方，它的塵埃擋住了我們通常能看到的所有藍光。JWST 可以穿透這些塵埃，讓我們看到令人難以置信的紅外線。

研究團隊利用JWST 的近紅外線攝譜儀發現了超新星中鈣和氧等元素的典型特徵。令人驚訝的是，它並不特別明亮–就像它所伴隨的亮度驚人的GRB一樣。

布蘭查德說：”它並不比以前的超新星更亮。與其他能量較低的GRB相關的超新星相比，它看起來相當正常。你可能會認為，產生高能量和高亮度GRB 的同一顆坍縮恆星也會產生高能量和高亮度的超新星。

失蹤：重元素

在首次確認了超新星的存在之後，布蘭查德和他的合作者接著尋找其中重元素的證據。目前，天文物理學家對宇宙中能夠產生比鐵更重的元素的所有機制的了解還不全面。

產生重元素的主要機制–快速中子捕獲過程需要高濃度的中子。迄今為止，天體物理學家只在兩顆中子星的合併中證實了透過這一過程產生重元素，雷射干涉重力波天文台（LIGO）在2017年探測到了這一碰撞。但科學家說，一定還有其他方法可以產生這些難以捉摸的物質。宇宙中的重元素實在太多了，而中子星合併卻太少。

“很可能還有另一個來源，”布蘭查德說。 「雙中子星合併需要很長的時間。雙星系統中的兩顆恆星首先必須爆炸，留下中子星。然後，這兩顆中子星需要數十億年的時間慢慢靠近，最終合併。但是，對非常古老恆星的觀測表明，在大多數雙中子星來得及合併之前，宇宙的某些部分就已經富含重金屬了。

天文物理學家推測，重元素也可能是由快速旋轉的大質量恆星坍縮所產生的，而這種恆星正是產生BOAT的恆星。利用JWST所獲得的紅外光譜，布蘭查德研究了超新星的內層，重元素應該是在這裡形成的。

“恆星的爆炸物質在早期是不透明的，所以你只能看到外層，」布蘭查德說。 「但一旦它膨脹並冷卻，就會變得透明。然後你就能看到來自超新星內層的光子了。此外，不同元素吸收和發射的光子波長不同，這取決於它們的原子結構，因此每種元素都有獨特的光譜特徵，因此，透過觀察天體的光譜，我們可以知道天體中含有哪些元素。極端事件並不是主要來源。

為何如此明亮？

為了將超新星的光線與它之前的明亮餘輝的光線區分開來，研究人員將JWST 的數據與智利阿塔卡馬大毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）的觀測數據進行了配對。

「即使在爆發被發現幾個月後，餘輝的亮度也足以在JWST光譜中貢獻大量的光，」猶他大學物理和天文學助理教授、該研究的合著者Tanmoy Laskar說。 “結合兩台望遠鏡的數據，有助於我們準確測量JWST 觀測時餘輝的亮度，使我們能夠仔細提取超新星的光譜”。

雖然天文物理學家還沒有發現一顆”普通”超新星和破紀錄的GRB 是如何由同一顆坍縮恆星產生的，但拉斯卡爾說，這可能與相對論性噴流的形狀和結構有關。當快速旋轉的大質量恆星坍縮成黑洞時，它們會產生物質噴流，以接近光速的速度噴出。如果這些噴流很窄，就會產生更集中、更明亮的光束。

拉斯卡爾說：”這就像把手電筒的光束聚焦到一個狹窄的柱子上，而不是把寬大的光束衝過整面牆。事實上，這是迄今為止看到的伽馬射線暴中最窄的噴流之一，這給了我們一個提示，為什麼餘輝會如此明亮。

未來對BOAT所在星系的研究也可能提供更多線索。 “除了BOAT本身的光譜，我們還獲得了它的’宿主’星系的光譜，”布蘭查德說。 “光譜顯示出恆星形成的跡象，暗示原始恆星的誕生環境可能不同於過去的事件”。

研究小組成員、賓州州立大學研究生李一佳（Yijia Li）對該星系的光譜進行了建模，發現BOAT的宿主星系的金屬性（一種衡量比氫和氦重的元素豐度的指標）是以前所有GRB宿主星系中最低的。

Li說：”這是BOAT的另一個獨特方面，可能有助於解釋其特性。BOAT釋放的能量完全超乎想像，是人類所見過的能量最高的事件之一。它似乎也誕生於接近原始的氣體，這一事實可能是理解其超強特性的重要線索。

編譯自/ scitechdaily