中子星合並——貴金屬原子的“育嬰所”

恒星毀滅的過程中産生了短暫的伽馬射線暴，可以爲理解類似的爆炸提供重要的背景。

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

中子星是大質量恒星爆炸後留下的超致密恒星核心，當兩顆中子星相撞時，結果是戲劇性的爆炸，産生的光被稱爲“kilonova”。合並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，歐洲航天局的 INTEGRAL X 射線和伽馬射線天文台檢測到了一次短暫的伽馬射線暴，該天文台發出了即時警報，觸發了 NASA 的 Swift 衛星等進行跟蹤。這次編號爲GRB 211106A的爆發持續了不到兩秒鍾，但來自kilonova的余輝閃耀了更長的時間，因爲合並釋放的粒子射流激發了周圍的氣體。

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的天文學家Wen-Fai Fong在一份聲明中說。“短暫爆發的余輝很難獲得，所以捕捉到如此明亮的閃光是很壯觀的。

藝術家對中子星合並的印象（左圖），産生相對粒子射流，與周圍環境中的氣體相互作用産生余輝。（圖片來源：ALMA （ESO/NAOJ/NRAO）、M. Weiss（NRAO/AUI/NSF））

經過ALMA調整的毫米波在探測合並産生的余輝時，能夠使天文學家更好的理解這些巨大恒星的爆炸。

“毫米波可以告訴我們GRB周圍環境的密度，”西北大學的Genevieve Schroeder在同一份聲明中說。“而且，當與X射線相結合時，[毫米波]可以告訴我們爆炸的真正能量。

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

ALMA的測量表明，GRB 211106A釋放的總能量在2 x 10^50 ergs和6 x 10^51 ergs之間，這使它成爲有史以來檢測到的最強大的短GRB之一。（一個爾格等于10^-7焦耳;相比之下，太陽每秒僅釋放3.8 x 10^33爾格。

藝術家對兩顆中子星碰撞前的描繪。（圖片來源：美國宇航局/戈達德太空飛行中心）

尤其令人印象深刻的是，相對而言，GRB 211106A是如此明亮，因爲合並發生在6.3億至9.1億年前的某個時間，由于宇宙膨脹，合並發生的星系現在距離地球約200億光年。在這個距離上，合並釋放的引力波太微弱，無法探測到。

使用ALMA觀察的另一個好處是，毫米波長的余輝比X射線的余輝持續時間更長。這給了天文學家更多的時間來研究GRB噴流，它開始是一條狹窄的流，然後逐漸打開，就像激光筆在牆上形成比激光底座更大的點。

Fong和Schroeder的團隊計算出噴流的打開角度爲16度，這是短GRB有史以來測量的最寬角。這很重要，因爲只有當噴流指向我們時，我們才能看到GRB，所以射流越寬，我們看到它的機會就越大。

這個結論很重要：天文學家根據我們看到的短伽馬射線暴數量和對噴流開口角度的估計來計算宇宙中中子星合並的速率。如果更短的伽馬射線暴具有更寬的開口角的射流，科學家們可能會高估正在發生的中子星合並的數量。

觀察中子星的合並不僅僅是因爲天體物理學家的好奇心——它對宇宙化學有影響。中子星合並産生的能量是如此強大，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。事實上，科學家估計，一次中子星合並可以産生3到13個地球質量的黃金。因此，這些元素的宇宙豐度在很大程度上取決于中子星合並發生的速度。

雖然這次碰撞可以視爲宇宙煉金術，形成了貴金屬原子散落在四周，但這一發現更爲天文學家提供了一個研究短伽馬射線暴及其余輝的全新舞台。“通過數十年的觀察，真正令人興奮的是見證了這些新技術解開了來自宇宙的驚喜禮物。”Fong說。

一篇描述研究結果的論文將發表在即將出版的《天體物理學雜志快報》上 。

BY:Keith Cooper

FY: Qing

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