中子星合并——贵金属原子的“育婴所”

恒星毁灭的过程中产生了短暂的伽马射线暴，可以为理解类似的爆炸提供重要的背景。

根据智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列ALMA的新观测，遥远的中子星合并释放了有史以来最强大的短伽马射线暴（GRB）之一。

中子星是大质量恒星爆炸后留下的超致密恒星核心，当两颗中子星相撞时，结果是戏剧性的爆炸，产生的光被称为“kilonova”。合并还释放了引力波和短暂的伽马射线辐射，两股致密的喷流向相反的方向射入太空。

2021 年 11 月 6 日，航天局的 INTEGRAL X 射线和伽马射线天文台监测到一次短暂的伽马射线暴，该天文台发出了即时警报，触发了 NASA 的 Swift 卫星等进行跟踪。这次编号为GRB 211106A的爆发持续了不到两秒钟，但来自kilonova的余辉闪耀了更长的时间，因为合并释放的粒子射流激发了周围的气体。

这次短暂的伽马射线暴是我们第一次试图用ALMA观察这样的事件，“伊利诺伊州西北大学的天文学家Wen-Fai Fong在一份声明中说。“短暂爆发的余辉很难获得，所以捕捉到如此明亮的闪光是很壮观的。

艺术家对中子星合并的印象（左图），产生相对粒子射流，与周围环境中的气体相互作用产生余辉。（图片来源：ALMA （ESO/NAOJ/NRAO）、M. Weiss（NRAO/AUI/NSF））

经过ALMA调整的毫米波在探测合并产生的余辉时，能够使天文学家更好地理解这些巨大恒星的爆炸。

“毫米波可以告诉我们GRB周围环境的密度，”西北大学的Genevieve Schroeder在同一份声明中说。“而且，当与X射线相结合时，毫米波可以告诉我们爆炸的真正能量。”

当GRB的射流以接近光速的速度移动时，冲击波加速了电子。来自这些电子的辐射能量在毫米波长处达到峰值，因此可以告诉天文学家爆炸的总能量。

ALMA的测量表明，GRB 211106A释放的总能量在2 x 10^50 ergs和6 x 10^51 ergs之间，这使它成为有史以来监测到的最强大的短GRB之一。（一个尔格等于10^-7焦耳；相比之下，太阳每秒仅释放3.8 x 10^33尔格。

艺术家对两颗中子星碰撞前的描绘。（图片来源：宇航局/戈达德太空飞行中心）

尤其令人印象深刻的是，相对而言，GRB 211106A是如此明亮，因为合并发生在6.3亿至9.1亿年前的某个时间，由于宇宙膨胀，合并发生的星系现在距离地球约200亿光年。在这个距离上，合并释放的引力波太微弱，无法探测到。

使用ALMA观察的另一个好处是，毫米波长的余辉比X射线的余辉持续时间更长。这给了天文学家更多的时间来研究GRB喷流，它开始是一条狭窄的流，然后逐渐打开，就像激光笔在墙上形成比激光底座更大的点。

Fong和Schroeder的团队计算出喷流的打开角度为16度，这是短GRB有史以来测量的最宽角。这很重要，因为只有当喷流指向我们时，我们才能看到GRB，所以射流越宽，我们看到它的机会就越大。

这个结论很重要：天文学家根据我们看到的短伽马射线暴数量和对喷流开口角度的估计来计算宇宙中中子星合并的速率。如果更短的伽马射线暴具有更宽的开口角的射流，科学家们可能会高估正在发生的中子星合并的数量。

观察中子星的合并不仅仅是因为天体物理学家的好奇心——它对宇宙化学有影响。中子星合并产生的能量是如此强大，以至于宇宙中一些最重和最珍贵的元素，如金、铂和银，都是由这些碰撞锻造出来的。事实上，科学家估计，一次中子星合并可以产生3到13个地球质量的黄金。因此，这些元素的宇宙丰度在很大程度上取决于中子星合并发生的速度。

虽然这次碰撞可以视为宇宙炼金术，形成了贵金属原子散落在四周，但这一发现更为天文学家提供了一个研究短伽马射线暴及其余辉的全新舞台。“通过数十年的观察，真正令人兴奋地是见证了这些新技术解开来自宇宙的惊喜礼物。”Fong说。

一篇描述研究结果的论文将发表在即将出版的《天体物理学杂志快报》上 。

BY:Keith Cooper

FY: Qing

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来源: 天文在线