在尋找強大的伽馬射線爆發的起源時偶然發現一種摧毀恒星的新方法

伽瑪射線爆發的藝術插圖。鳴謝:國際雙子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/M .加爾利克/M .紮馬尼
（神秘的地球uux.cn）據西北大學：在尋找強大的伽馬射線爆發(GRB)的起源時，一個國際天體物理學家小組可能偶然發現了一種摧毀恒星的新方法。
盡管大多數伽馬射線暴源自大質量恒星爆炸或中子星合並，但研究人員得出結論，GRB 191019A反而來自古老星係核心超大質量黑洞周圍擁擠環境中的恒星碰撞或恒星殘餘。這種毀滅德比的環境指向了一種長期假設的——但從未見過的——毀滅恒星並產生GRB的方式。
這項研究發表在《自然天文學》雜誌上。由荷蘭拉德布大學領導的研究小組包括來自西北大學的天文學家。
“對於每一百個符合伽馬射線爆發傳統分類方案的事件，至少有一個古怪的事件讓我們陷入困境，”西北大學天體物理學家兼研究合著者Wen-fai Fong說，“然而，正是這些古怪的事件告訴我們宇宙能夠發生的爆炸的驚人多樣性。”
“在致密的恒星係統中發現這些非凡的現象，特別是那些圍繞星係核心超大質量黑洞的現象，無疑是令人興奮的，”西北大學天體物理學家兼研究合著者賈科莫·弗拉吉奧內說。“這一非凡的發現讓我們得以一瞥這些宇宙環境中錯綜複雜的動態，將它們確立為事件的工廠，否則這將被認為是不可能的。”
Fong是西北大學溫伯格文理學院物理學和天文學助理教授，也是天體物理學跨學科探索和研究中心(CIERA)的成員。Fragione是CIERA的研究助理教授。西北大學的其他合著者包括Anya Nugent和Jillian Rastinejad——兩人都是天文學博士生，也是Fong研究小組的成員。
根據質量，大多數恒星以三種可預測的方式死亡。當像我們的太陽這樣相對低質量的恒星年老時，它們會脫落外層，最終褪色成為白矮星。另一方麵，更大質量的恒星在災難性的超新星爆炸中燃燒得更亮，爆炸得更快，產生了像中子星和黑洞這樣的超密度物體。第三種情況發生在兩個這樣的恒星殘骸形成一個雙星係統並最終碰撞的時候。
但是新的研究發現可能有第四種選擇。
“我們的結果表明，恒星可能會在宇宙中一些最密集的區域消亡，在那裏它們可能會被驅使碰撞，”主要作者安德魯·萊萬說，他是拉德布大學的天文學家。“這對於理解恒星如何死亡以及回答其他問題來說是令人興奮的，例如哪些意想不到的來源可能產生我們可以在地球上探測到的引力波。”
在恒星形成的黃金時期過後很久，古老的星係幾乎沒有大質量恒星。然而，它們的核心充滿了恒星和超密度恒星殘餘物，如白矮星、中子星和黑洞。天文學家長期以來一直懷疑，在超大質量黑洞周圍活動的動蕩蜂巢中，兩個恒星物體相撞產生GRB隻是時間問題。但是這種合並的證據仍然難以捉摸。
2019年10月19日，當美國宇航局的尼爾·格裏爾斯·斯威夫特天文台探測到持續一分多鍾的伽馬射線明亮閃光時，天文學家瞥見了這種事件的第一個跡象。任何持續超過兩秒鍾的GRB都被認為是“長的”這種爆發通常來自質量至少是太陽10倍的恒星的坍縮。
然後，研究人員使用智利的雙子座南方望遠鏡——國家科學基金會NOIRLab運營的國際雙子座天文台的一部分——對GRB褪色的餘輝進行長期觀察。
這些觀測使天文學家能夠將GRB的位置精確定位到距離一個古老星係的核心不到100光年的區域——非常靠近該星係的超大質量黑洞。奇怪的是，研究人員也沒有發現相應超新星的證據，這將在雙子座南捕獲的光線上留下印記。
“伴隨長GRB 191019A的超新星的缺乏告訴我們，這次爆發不是典型的大質量恒星坍塌，”Rastinejad說，他進行了計算以確保超新星沒有隱藏在數據中。“嵌入主星係核心的GRB 191019A的位置，對引力波發射源可能如何形成的預測但尚未證實的理論提出了挑戰。”
在典型的星係環境中，從碰撞的恒星殘留物，如中子星和黑洞，產生長伽馬射線暴是非常罕見的。然而，古老星係的核心絕不是典型的，可能有一百萬或更多的恒星擠在一個僅幾光年寬的區域內。
這種極端的人口密度可能足夠大，以至於偶爾會發生恒星碰撞，特別是在超大質量黑洞的巨大引力影響下，這將擾亂恒星的運動，並使它們向隨機方向傾斜。最終，這些任性的恒星會相交並融合，引發巨大的爆炸，從遙遠的宇宙距離都可以觀測到。
“這一事件幾乎打破了我們對短伽瑪暴和長伽瑪暴環境的所有預期，”紐金特說，他對宿主星係進行了至關重要的建模。
“雖然長伽瑪暴從未在像GRB 191019A的宿主一樣古老和死亡的星係中發現，但短伽瑪暴，以及它們的合並起源，還沒有被觀察到與它們宿主的原子核有如此的聯係。在它古老的靜止星係的核心發現這一事件，為以前很少觀察到的雙星係統的形成打開了有希望的新途徑。"
這種事件可能經常發生在宇宙中類似的擁擠區域，但直到現在才被注意到。它們模糊不清的一個可能原因是星係中心充滿了塵埃和氣體，這可能掩蓋了GRB最初的閃光和隨之而來的餘輝。GRB 191019A可能是一個罕見的例外，它允許天文學家探測到這次爆發並研究其後果。
“雖然這是首次發現此類事件，但可能還有更多事件被星係附近的大量塵埃所掩蓋，”Fong說。“事實上，如果這種持續時間長的事件來自於致密天體的合並，那麽它就導致了不斷增長的伽瑪暴數量，這違背了我們的傳統分類。”
通過努力發現更多這樣的事件，研究人員希望將GRB探測與相應的引力波探測相匹配，這將揭示更多關於它們的真實性質並確認它們的起源——即使在最黑暗的環境中。維拉·c·魯賓天文台將於2025年上線，它將在這類研究中發揮不可估量的作用。
這項名為“來自古老星係核心的動力起源的長時間伽馬射線爆發”的研究發表在《自然天文學》上。