明亮的闪光将天文学家带到了9亿光年外的重金属工厂

天空中一次非凡的高能光爆发将天文学家指向距离地球9亿光年的一对金属锻造中子星。

在今天发表在 《自然》杂志上的一项研究中，包括麻省理工学院科学家在内的一个国际天文学家团队报告说，他们探测到了极亮的伽马射线暴（GRB），这是宇宙中已知的最强大的爆炸类型。这个特殊的GRB是迄今为止探测到的第二亮的，天文学家随后将爆发的起源追溯到两颗合并的中子星。中子星是大质量恒星的坍缩、超致密核心，被认为是宇宙中许多重金属的锻造地。

研究小组发现，当恒星相互环绕并最终合并时，它们会以GRB的形式释放出巨大的能量。而且，天文学家首先直接在恒星余波中发现了重金属的迹象。具体来说，他们发现了碲的明确信号，碲是一种重的、轻度的有毒元素，在地球上比铂更稀有，但被认为在整个宇宙中都很丰富。

天文学家估计，合并释放出的碲足以相当于300个地球的质量。如果存在碲，那么合并一定搅动了其他密切相关的元素，例如碘，碘是地球上大部分生命所必需的矿物质营养素。

这一发现是通过世界各地天文学家的集体努力完成的，使用美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）以及其他地面和太空望远镜，包括美国宇航局的TESS卫星（麻省理工学院领导的任务）和智利的超大望远镜（VLT），麻省理工学院的科学家曾经为这一发现做出贡献。

“这一发现是我们理解宇宙中重元素形成地点的重要一步，并展示了结合不同波长的观测结果以揭示这些极高能量爆炸的新见解的力量，“该研究的共同作者Benjamin Schneider说，他是麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的博士后。

Schneider是来自世界各地多个机构的众多研究人员之一，他们为这项研究做出了贡献，该研究由荷兰Radboud大学的Andrew Levan和英国华威大学的Andrew Levan领导。

“一气呵成”

最初的爆发于2023年3月7日被美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜探测到，并被确定为异常明亮的伽马射线暴，天文学家将其标记为GRB 230307A。

“可能很难夸大它的亮度，”迈克尔·福斯诺（Michael Fausnaugh）说，他当时是麻省理工学院的研究科学家，现在是德克萨斯理工大学的助理教授。“在伽马射线天文学中，你通常会计算单个光子。但是有太多的光子进来，探测器无法区分单个光子。这有点像表盘击中了最大值。

超亮爆发也非常长，持续200秒，而中子星合并通常会导致闪烁不到两秒的短GRB。这种明亮而持久的耀斑立即引起了全世界的兴趣，因为天文学家将许多其他望远镜聚焦在这次爆发上。这一次，爆发的亮度对科学家有利，因为伽马射线耀斑被整个太阳系的卫星探测到。通过对这些观测结果进行三角测量，天文学家可以锁定爆发的位置 – 在南部天空中，在门萨星座内。

在麻省理工学院，施耐德和福斯诺加入了多管齐下的搜索。在费米最初被发现后不久，Fausnaugh检查了该爆发是否出现在TESS卫星拍摄的数据中，该卫星恰好指向最初检测到GRB 230307A的同一天空部分。Fausnaugh回顾了TESS数据的那部分，发现了爆发，然后从头到尾追踪了它的活动。

“我们可以一下子看到一切，”Fausnaugh说。“我们看到了一个非常明亮的闪光，然后是一个小颠簸，或者说余晖。这是一个非常独特的光线曲线。如果没有TESS，几乎不可能观察到与伽马射线同时发生的早期光学闪光。

与此同时，施耐德用另一个地面望远镜检查了这次爆发：智利的甚大望远镜（VLT）。作为在这台望远镜上运行的大型GRB观测计划的成员，施耐德碰巧在费米号首次观测后不久轮班，并将望远镜对准了爆发。

VLT的观测结果与TESS的数据相呼应，并揭示了一个同样奇怪的模式：GRB的发射似乎迅速从蓝色波长过渡到红色波长。这种模式是千新星的特征——通常在两颗中子星碰撞时发生的大规模爆炸。麻省理工学院小组的分析，结合世界各地的其他观测，有助于确定GRB可能是两颗合并中子星的产物。

精彩的踢球

合并本身起源于哪里？为此，天文学家转向了JWST的深视场视图，它比任何其他望远镜都能看到更远的太空。天文学家使用JWST观测GRB 230307A，希望能挑出中子星起源的宿主星系。望远镜的图像显示，奇怪的是，GRB似乎没有系泊在任何宿主星系上。但附近似乎确实有一个星系，距离我们大约120,000光年。

望远镜的观测表明，中子星被踢出了附近的星系。它们很可能是双星系统中的一对大质量恒星。最终，两颗恒星都坍缩成中子星，在强大的事件中，有效地将这对星系“踢”出了它们的家乡星系，导致它们逃到一个新的位置，在那里它们慢慢地相互盘旋并合并，几亿年后。

在合并的能量排放中，JWST还检测到了碲的明确信号。虽然大多数恒星可以将较轻的元素搅动到铁，但人们认为宇宙中所有其他较重的元素都是在更极端的环境中形成的，例如中子星合并。JWST对碲的探测进一步证实了最初的伽马射线暴是由中子星合并产生的。

“对于JWST来说，这只是一个开始，它已经产生了巨大的变化，”Schneider说。“在未来几年，将探测到更多的中子星合并。JWST与其他强大的天文台的结合对于揭示这些极端爆炸的性质至关重要。