宇宙最大的爆炸产生了构成我们的一些元素。但还有另一个神秘来源

这些发现表明，伽马射线爆发可能不是人们所希望的宇宙重元素的关键来源。

罗伯特·布罗斯，都柏林城市大学

客座作者

图片来源：NASA/Swift/Cruz deWilde

在大爆炸中“诞生”之后，宇宙主要由氢原子和少量氦原子组成。这些是元素周期表中最轻的元素。从大爆炸到现在的 138 亿年间，几乎所有比氦重的元素都产生了。

恒星通过核聚变过程产生了许多较重的元素。然而，这只能制造出像铁一样重的元素。任何较重元素的产生都会消耗能量而不是释放能量。

为了解释今天这些较重元素的存在，有必要找到可以产生它们的现象。符合要求的一类事件是伽马射线爆发（GRB）——宇宙中最强大的爆炸类型。它们的爆发量可以达到太阳光度的五千万倍（10 后面跟着 18 个零），并且被认为是由几种类型的事件引起的。

伽马暴可分为两类：长爆发和短爆发。长伽玛暴与大质量且快速旋转的恒星的死亡有关。根据这一理论，快速旋转将大质量恒星坍缩时喷射出的物质射入以极快速度移动的狭窄射流中。

短暂的爆发仅持续几秒钟。它们被认为是由两颗中子星（致密且致密的“死”星）碰撞引起的。 2017 年 8 月，一件重要事件支持了这一理论。美国的两个引力波探测器 Ligo 和 Virgo 发现了一个似乎来自两颗即将发生碰撞的中子星的信号。

几秒钟后，检测到来自天空同一方向的短暂伽马射线爆发，称为 GRB 100817A。几周以来，地球上几乎每台望远镜都在前所未有地努力研究这一事件的后果。

观测结果显示，GRB 170817A 的位置存在一颗千新星。千新星是超新星爆炸的近亲。更有趣的是，有证据表明爆炸过程中产生了许多重元素。 《自然》杂志上一项分析爆炸的研究的作者表明，这颗千新星似乎产生了两种不同类别的碎片或喷射物。一种主要由轻元素组成，另一种则由重元素组成。

我们已经提到，核聚变只能产生元素周期表中铁这样重的元素。但还有另一个过程可以解释千新星如何能够产生更重的粒子。

快速中子俘获过程（或 r 过程）是铁等较重元素的原子核（或核心）在短时间内俘获许多中子粒子的过程。然后它们的质量迅速增大，产生更重的元素。然而，要使 r 过程发挥作用，您需要合适的条件：高密度、高温和大量可用的自由中子。伽马射线爆发恰好提供了这些必要的条件。

然而，两颗中子星的合并，比如引起千新星GRB 170817A 的合并，是非常罕见的事件。事实上，它们可能非常罕见，以至于不太可能成为宇宙中丰富的重元素的来源。但是长伽玛暴又如何呢？

最近的一项研究特别调查了一次长伽马射线爆发，GRB 221009。它被称为“BOAT”——有史以来最亮的。 2022 年 10 月 9 日，该伽玛射线暴被捕捉到为席卷太阳系的强辐射脉冲。

船引发了与千新星类似的天文观测活动。这场伽玛暴的能量比之前的纪录保持者高出十倍，而且距离我们如此之近，以至于它对地球大气层的影响在地面上就可以测量到，堪比一次大型太阳风暴。

研究“船”事件后果的望远镜之一是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。它在伽玛暴爆炸后大约六个月对其进行了观察，以免被最初爆发的余辉所蒙蔽。詹姆斯韦伯太空望远镜收集的数据显示，尽管该事件异常明亮，但它只是由一次普通的超新星爆炸引起的。

事实上，之前对其他长伽玛暴的观测表明，伽玛暴的亮度和与之相关的超新星爆炸的大小之间没有相关性。船似乎也不例外。

JWST 团队还推断了 BOAT 爆炸期间产生的重元素数量。他们没有发现任何由 r 过程产生的元素的迹象。这令人惊讶，因为从理论上讲，长伽玛暴的亮度被认为与其核心（很可能是黑洞）的条件有关。对于非常明亮的事件——尤其是像船这样极端的事件——条件应该适合r过程发生。

这些发现表明，伽马射线爆发可能不是人们所希望的宇宙重元素的关键来源。相反，必须有一个或多个来源仍然存在。

Robert Brose，都柏林城市大学 (DCU) 物理科学学院助理教授，都柏林城市大学

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