宇宙“煉金術(shù)”：中子星合并造就貴金屬原子的“育嬰所”？

中子星合并——貴金屬原子的“育嬰所”

恒星毀滅的過程中產(chǎn)生了短暫的伽馬射線暴，可以為理解類似的爆炸提供重要的背景。

根據(jù)智利阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列ALMA的新觀測(cè)，遙遠(yuǎn)的中子星合并釋放了有史以來最強(qiáng)大的短伽馬射線暴（GRB）之一。

中子星是大質(zhì)量恒星爆炸后留下的超致密恒星核心，當(dāng)兩顆中子星相撞時(shí)，結(jié)果是戲劇性的爆炸，產(chǎn)生的光被稱為“kilonova”。合并還釋放了引力波和短暫的伽馬射線輻射，兩股致密的噴流向相反的方向射入太空。

2021 年 11 月 6 日，航天局的 INTEGRAL X 射線和伽馬射線天文臺(tái)監(jiān)測(cè)到一次短暫的伽馬射線暴，該天文臺(tái)發(fā)出了即時(shí)警報(bào)，觸發(fā)了 NASA 的 Swift 衛(wèi)星等進(jìn)行跟蹤。這次編號(hào)為GRB 211106A的爆發(fā)持續(xù)了不到兩秒鐘，但來自kilonova的余輝閃耀了更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)楹喜⑨尫诺牧Ｗ由淞骷ぐl(fā)了周圍的氣體。

這次短暫的伽馬射線暴是我們第一次試圖用ALMA觀察這樣的事件，“伊利諾伊州西北大學(xué)的天文學(xué)家Wen-Fai Fong在一份聲明中說?！岸虝罕l(fā)的余輝很難獲得，所以捕捉到如此明亮的閃光是很壯觀的。

藝術(shù)家對(duì)中子星合并的印象（左圖），產(chǎn)生相對(duì)粒子射流，與周圍環(huán)境中的氣體相互作用產(chǎn)生余輝。（圖片來源：ALMA （ESO/NAOJ/NRAO）、M. Weiss（NRAO/AUI/NSF））

經(jīng)過ALMA調(diào)整的毫米波在探測(cè)合并產(chǎn)生的余輝時(shí)，能夠使天文學(xué)家更好地理解這些巨大恒星的爆炸。

“毫米波可以告訴我們GRB周圍環(huán)境的密度，”西北大學(xué)的Genevieve Schroeder在同一份聲明中說?！岸?，當(dāng)與X射線相結(jié)合時(shí)，毫米波可以告訴我們爆炸的真正能量?！?/p>

當(dāng)GRB的射流以接近光速的速度移動(dòng)時(shí)，沖擊波加速了電子。來自這些電子的輻射能量在毫米波長(zhǎng)處達(dá)到峰值，因此可以告訴天文學(xué)家爆炸的總能量。

ALMA的測(cè)量表明，GRB 211106A釋放的總能量在2 x 10^50 ergs和6 x 10^51 ergs之間，這使它成為有史以來監(jiān)測(cè)到的最強(qiáng)大的短GRB之一。（一個(gè)爾格等于10^-7焦耳；相比之下，太陽每秒僅釋放3.8 x 10^33爾格。

藝術(shù)家對(duì)兩顆中子星碰撞前的描繪。（圖片來源：宇航局/戈達(dá)德太空飛行中心）

尤其令人印象深刻的是，相對(duì)而言，GRB 211106A是如此明亮，因?yàn)楹喜l(fā)生在6.3億至9.1億年前的某個(gè)時(shí)間，由于宇宙膨脹，合并發(fā)生的星系現(xiàn)在距離地球約200億光年。在這個(gè)距離上，合并釋放的引力波太微弱，無法探測(cè)到。

使用ALMA觀察的另一個(gè)好處是，毫米波長(zhǎng)的余輝比X射線的余輝持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。這給了天文學(xué)家更多的時(shí)間來研究GRB噴流，它開始是一條狹窄的流，然后逐漸打開，就像激光筆在墻上形成比激光底座更大的點(diǎn)。

Fong和Schroeder的團(tuán)隊(duì)計(jì)算出噴流的打開角度為16度，這是短GRB有史以來測(cè)量的最寬角。這很重要，因?yàn)橹挥挟?dāng)噴流指向我們時(shí)，我們才能看到GRB，所以射流越寬，我們看到它的機(jī)會(huì)就越大。

這個(gè)結(jié)論很重要：天文學(xué)家根據(jù)我們看到的短伽馬射線暴數(shù)量和對(duì)噴流開口角度的估計(jì)來計(jì)算宇宙中中子星合并的速率。如果更短的伽馬射線暴具有更寬的開口角的射流，科學(xué)家們可能會(huì)高估正在發(fā)生的中子星合并的數(shù)量。

觀察中子星的合并不僅僅是因?yàn)樘祗w物理學(xué)家的好奇心——它對(duì)宇宙化學(xué)有影響。中子星合并產(chǎn)生的能量是如此強(qiáng)大，以至于宇宙中一些最重和最珍貴的元素，如金、鉑和銀，都是由這些碰撞鍛造出來的。事實(shí)上，科學(xué)家估計(jì)，一次中子星合并可以產(chǎn)生3到13個(gè)地球質(zhì)量的黃金。因此，這些元素的宇宙豐度在很大程度上取決于中子星合并發(fā)生的速度。

雖然這次碰撞可以視為宇宙煉金術(shù)，形成了貴金屬原子散落在四周，但這一發(fā)現(xiàn)更為天文學(xué)家提供了一個(gè)研究短伽馬射線暴及其余輝的全新舞臺(tái)?！巴ㄟ^數(shù)十年的觀察，真正令人興奮地是見證了這些新技術(shù)解開來自宇宙的驚喜禮物?！盕ong說。

一篇描述研究結(jié)果的論文將發(fā)表在即將出版的《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上 。

BY:Keith Cooper

FY: Qing

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