可观测宇宙边界的宇宙炼金术
NASA望远镜探测到了可能是迄今观测到的最遥远的伽马射线爆发,由两颗中子星螺旋坠入彼此并在灾难性爆炸(称为千新星)中引爆而产生。该事件发生在距地球约85亿光年处,在一次耀眼的闪光中锻造了黄金和铂等重元素,其光辉曾一度超过整个星系。
该探测得益于Chandra X射线天文台、James Webb Space Telescope和地面天文台的协调观测,推进了多信使天文学的前沿,并提供了关于宇宙如何制造最重元素的新证据。
黄金的来源
在20世纪的大部分时间里,科学家们认为所有比铁更重的元素都是在大质量恒星内部产生的,当这些恒星爆炸为超新星时散播到太空中。这一观点在2017年被彻底改变,当时LIGO引力波探测器和数十台望远镜观测到了星系NGC 4993中的中子星合体,该星系距离仅有1.3亿光年。该事件被指定为GW170817,确认了中子星合体是周期表中最重元素的丰富产生地。
物理学过程极其非凡。当两颗中子星碰撞时,撞击释放出大量中子——远比任何其他天体物理环境中可用的中子更多。这些中子被原子核捕获,这个过程被称为快速中子捕获,或r过程,在数分之一秒内构建出越来越重的元素。黄金、铂、铀和许多其他重元素都在这个富中子坩埚中组装而成,并以光速的重要分数被喷射到太空中。
新探测到的距离85亿光年的千新星代表了在更远距离和宇宙更早历史中观测到的同一过程。当这次爆炸的光被发射时,宇宙只有大约50亿岁——不到其当前年龄的一半。在这个时代探测到r过程元素告诉天文学家,当宇宙相对年轻时,中子星合体已经在用重元素丰富宇宙。
非寻常的宇宙地址
这个探测特别有趣的地方在于千新星的位置。合体不是发生在单个星系内,而是发生在潮汐流中——一条由星系在引力相互作用中被撕裂的恒星和气体带,发生在星系群合体期间。聚类中的多个星系正在相互碰撞和合体,创造了跨越数十万光年的复杂碎片流。
中子星双星——一对相互绕行的中子星——可能需要数十亿年才能螺旋接近到足以合体的距离。在这段时间内,引力相互作用可能会将双星踢出其母星系。在潮汐流中发现千新星表明中子星对可能被逐出合体的星系之一,并在数十亿年内漂浮在星系间空间中,最后才相撞。
这对理解重元素如何在整个宇宙中分布有影响。如果中子星合体的一个重要部分发生在星系外——在潮汐流、星系光晕或星系间空间中——那么它们产生的重元素可能会丰富星系间的扩散气体,而不是被回收到星系内的新恒星和行星中。
探测最微弱的信号
观测距离85亿光年的千新星需要非凡的灵敏度。最初的伽马射线爆发由NASA的Swift天文台探测到,它识别了高能闪光并提醒其他望远镜事件的位置。Chandra随后探测到了X射线余辉,它提供了精确的位置信息。James Webb Space Telescope观测到了红外发射,这是r过程元素的特征,其放射性衰变产生了独特的红色光芒,在合体后数天到数周内持续。
红外特征是重元素产生的确凿证据。不同的元素在其放射性同位素衰变时产生不同的光谱特征,JWST敏感的红外光谱仪能够识别千新星褪色光芒中多个重元素的特征。这种光谱确认是区分千新星与其他类型瞬变事件的因素。
宇宙化学的含义
每个千新星探测帮助天文学家建立一个统计图景,说明中子星合体产生了多少重元素物质以及这些事件在宇宙时间上发生的频率。目前的估计表明,中子星合体可以解释大部分在宇宙中观测到的黄金、铂和其他r过程元素,尽管超新星和其他来源的一些贡献仍然可能。
这个创纪录距离的探测将观测基线延伸回一个星系仍在积极聚集的时代。理解这个时代中子星合体的比率会限制二元星演化、中子星形成和早期宇宙化学演化的模型。
地球上每一个黄金原子——在珠宝、电子产品、中央银行金库中——可能都是在这样的事件中锻造的,数十亿年前,在两颗死亡恒星以光速的三分之一碰撞的暴力最后时刻。这最新的探测提醒我们,即使是最熟悉的材料的起源也绝非平凡。
本文基于宇宙今日的报道。阅读原文。
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