宇宙炼金术:韦伯对重元素创造的第一次一瞥

2024-11-15 18:48来源:

利用各种望远镜,研究人员观察到一个明亮的伽马射线爆发,揭示了中子星合并,并探测到稀有元素碲。这些发现是由千新星爆炸产生的,为元素的形成提供了更深入的了解,有望在未来有更大的发现。

韦伯对有史以来第二亮的伽马射线暴的研究揭示了碲。

以什么名义许多化学元素在宇宙中产生的条件长期以来一直笼罩在神秘之中。这包括一些非常有价值的元素,甚至是我们所知道的对生命至关重要的元素。

阿斯特罗由于詹姆斯·韦伯太空望远镜和一次高能事件,科学家们现在离答案又近了一步:迄今为止探测到的第二亮的伽马射线爆发,很可能是由两颗中子星合并引起的,这导致了一场被称为千新星的爆炸。利用韦伯惊人的灵敏度,科学家们首次从太空中捕捉到千新星的中红外光谱,这标志着韦伯首次直接观察到这种事件中的单个重元素。

这张来自韦伯的NIRCam(近红外相机)仪器的图像突出了GRB 230307A的千新星和它的前家园星系在其他星系和前景恒星的本地环境中。这些中子星被踢出了它们的母星系,走了大约12万光年的距离,大约是银河系的直径,在几亿年后最终合并。来源:NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

美国宇航局的韦伯望远镜首次探测到恒星合并中的重元素

一组科学家使用了多个太空和地面望远镜,包括美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜、美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜和美国宇航局的尼尔格雷斯斯威夫特天文台,观察了一个异常明亮的伽马射线暴,GRB 230307A,并确定了产生爆炸的中子星合并,产生了爆炸。韦伯还帮助科学家探测到了爆炸后的化学元素碲。

元素发现和基洛新星的解释

其他元素周期表上接近碲的元素——比如碘,它是地球上大部分生命所必需的——也很可能存在于千新星喷出的物质中。千新星是由一颗中子星与黑洞或另一颗中子星合并而产生的爆炸。

该研究的主要作者、荷兰内梅亨大学(Radboud University)和英国华威大学(University of Warwick)的安德鲁•莱万(Andrew Levan)表示:“在德米特里•门捷列夫(Dmitri Mendeleev)写下元素周期表150多年后,多亏了韦伯,我们现在终于能够开始填补那些最后的空白,了解一切是如何形成的。”

这张图表比较了詹姆斯韦伯太空望远镜和千新星模型观测到的GRB 230307A千新星的光谱数据。两者都在与碲相关的光谱区域显示出一个明显的峰,该区域以红色阴影表示。碲在地球上比铂还稀有,这标志着韦伯首次直接观测到千新星中的单个重元素。来源:NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

研究千新星的挑战

虽然中子星合并长期以来一直被理论认为是理想的“高压锅”,可以产生一些比铁重得多的稀有元素,但天文学家此前在获得确凿证据方面遇到了一些障碍。

基洛诺瓦非常罕见,因此很难观察到这些事件。短伽马射线暴(grb),传统上被认为是持续不到两秒的,可能是这些罕见的合并事件的副产品。(相比之下,长伽马射线爆发可能持续几分钟,通常与大质量恒星的爆炸死亡有关。)

GRB 230307A尤为引人注目。今年3月,费米伽马射线太空望远镜首次探测到它,是50多年来观测到的第二亮的伽马射线暴,比费米观测到的典型伽马射线暴亮1000倍左右。它也持续了200秒,尽管它的来源不同,但它确实属于长时间伽马射线爆发的范畴。

“这次爆发属于长期范畴。它不在边境附近。但它似乎来自一颗合并的中子星,”该论文的合著者、路易斯安那州立大学费米小组成员埃里克·伯恩斯补充道。

由韦伯的NIRCam(近红外相机)拍摄的GRB 230307A千新星和中子星的前家园星系的图像,有罗盘箭头,比尺和色键作为参考。北面和东面的罗盘箭头表示图像在天空中的方向。请注意,天空中北方和东方之间的关系(从下面看)相对于地面地图上的方向箭头(从上面看)是翻转的。比例尺以弧秒为单位标注,弧秒是天空角距离的度量单位。1角秒等于1°弧的1/3600。(满月的角直径约为0.5度。)在天空中覆盖一弧秒的物体的实际大小取决于它与望远镜的距离。这张照片显示了不可见的近红外波长的光被转换成可见光的颜色。彩色键显示在收集光线时使用了NIRCam滤光片。每个滤光片名称的颜色是用来表示通过该滤光片的红外光的可见光颜色。来源:NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

协同观测

在地面和太空上的许多望远镜的合作下,科学家们在第一次探测到爆发时就拼凑出了关于这一事件的大量信息。这是卫星和望远镜如何一起工作来见证宇宙变化的一个例子。

在第一次探测之后,从地面和太空进行了一系列密集的观测,包括与尼尔·格雷斯·斯威夫特天文台(Neil Gehrels Swift Observatory)合作,确定了天空中的光源,并跟踪了它的亮度变化。这些对伽玛射线、x射线、光学、红外和无线电的观测表明,光学/红外的对应物是微弱的,进化得很快,变得非常红——这是千新星的标志。

“这种类型的爆炸非常迅速,爆炸中的物质也迅速膨胀,”意大利INAF - Brera天文台研究报告的合著者Om Sharan Salafia说。“随着整个云的膨胀,物质迅速冷却,其光的峰值在红外线中可见,并在几天到几周的时间尺度上变得更红。”

用韦伯进行深入观测

在后来的时间里,从地面上研究这个千新星是不可能的,但这是韦伯的NIRCam(近红外相机)和NIRSpec(近红外光谱仪)仪器观察这个动荡环境的完美条件。光谱上的宽谱线表明这种物质是以高速喷射出来的,但有一个特征是明确的:它是由碲发出的光,这是一种比地球上的铂还稀有的元素。

韦伯望远镜高度敏感的红外能力帮助科学家确定了产生千新星的两颗中子星的家庭住址:一个距离合并地点约12万光年的螺旋星系。

中子星的历史旅程

在他们冒险之前,他们曾经是两颗正常的大质量恒星,在他们的家园螺旋星系中形成了一个双星系统。由于这两颗恒星受到引力的束缚,两颗恒星在两个不同的场合一起发射:当其中一颗恒星爆炸成为超新星并成为中子星时,另一颗恒星也随之爆炸。

在这种情况下,中子星仍然是一个双星系统,尽管两次爆炸震动,并被踢出了它们的母星系。在几亿年后合并之前,这对星系的直径大约相当于银河系的直径。

展望未来

科学家们希望在未来发现更多的千新星,因为越来越多的机会让太空和地面望远镜以互补的方式工作,研究宇宙的变化。例如,虽然韦伯可以比以往任何时候都更深入地观察太空,但美国宇航局即将推出的南希格蕾丝罗马太空望远镜的非凡视野将使天文学家能够侦察这些爆炸发生的地点和频率。

该研究的合著者、英国伯明翰大学的本·冈珀茨(Ben Gompertz)说:“韦伯提供了一个惊人的推动力,可能会发现更重的元素。”“随着我们进行更频繁的观测,模型将得到改进,光谱可能会及时演变。韦伯无疑打开了做更多事情的大门,它的能力将彻底改变我们对宇宙的理解。”

这些发现发表在《自然》杂志上。

参考:作者:Andrew Levan、Benjamin P. Gompertz、Om Sharan Salafia、Mattia Bulla、Eric Burns、Kenta Hotokezaka、Luca Izzo、Gavin P. Lamb、Daniele B. Malesani、Samantha R. Oates、Maria Edvige Ravasio、Alicia Rouco Escorial、Benjamin Schneider、Nikhil Sarin、Steve Schulze、Nial R. Tanvir、Kendall Ackley、Gemma Anderson、Gabriel B. Brammer、Lise Christensen、Vikram S. Dhillon、Phil a . Evans、Michael Fausnaugh、fwen -fai FongAndrew S. Fruchter、Chris Fryer、Johan P. U. Fynbo、Nicola Gaspari、Kasper E. Heintz、Jens Hjorth、Jamie A. Kennea、Mark R. Kennedy、Tanmoy Laskar、Giorgos Leloudas、Ilya Mandel、Antonio Martin-Carrillo、Brian D. Metzger、Matt Nicholl、Anya Nugent、Jesse T. Palmerio、Giovanna Pugliese、Jillian Rastinejad、Lauren Rhodes、Andrea Rossi、Andrea Saccardi、Stephen J. Smartt、Heloise F. Stevance、Aaron Tohuvavohu、Alexander van der Horst、Susanna D. Vergani、Darach Watson、Thomas Barclay、Kornpob Bhirombhakdi, elm Breedt, Alice A. Breeveld, Alexander J. Brown, Sergio Campana, Ashley A. Chrimes, Paolo D 'Avanzo, Valerio D 'Elia, Massimiliano De Pasquale, Martin J. Dyer, Duncan K. Galloway, James A. Garbutt, Matthew J. Green, Dieter H. Hartmann, Páll Jakobsson, Paul K. Leung, Stuart P. Littlefair, James Munday, Paul O 'Brien, Steven G. Parsons, Ingrid salaterra, Boris Sbarufatti,Danny Steeghs, Gianpiero Tagliaferri, Christina C. Thöne, Antonio de Ugarte Postigo和David Alexander Kann, 2023年10月25日,Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06759 - 1

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系的谜团,放眼其他恒星周围的遥远世界,探索宇宙的神秘结构和起源,以及我们在其中的位置。韦伯是一个国际化的人美国国家航空航天局(NASA)及其合作伙伴欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(Canadian Space Agency)共同领导了这一项目。

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