近二十年来，天体物理学家一直认为长伽马射线暴（GRBs）仅仅是由大质量恒星的坍缩产生。现在，一项新的研究颠覆了这一长期以来被接受的信念。在西北大学的领导下，一个天体物理学家小组发现了新的证据，即至少一些长的GRB可以由中子星合并产生，而以前人们认为中子星合并只产生短的GRB。
艺术家对GRB 211211A的印象。 右边是千新星和伽马射线爆发的情况。蓝色代表沿两极挤压的物质，而红色表示由两颗吸入的中子星喷出的物质，现在正围绕着合并后的物体旋转。合并后发出的喷射物盘，隐藏在红色和蓝色喷射物的后面，以紫色显示。一股快速喷射的物质（以黄色显示）冲过了千新星。该事件发生在距离其宿主星系（左）约8千帕的地方。资料来源：Aaron M. Geller/西北大学/IERA和IT研究计算服务部
在2021年12月探测到一个50秒长的GRB之后，该小组开始寻找长GRB的余辉，这是一个令人难以置信的、快速消逝的光爆，通常在超新星之前。但是，相反，他们发现了千新星的证据，这是一个罕见的事件，只有在中子星与另一个紧凑物体（另一颗中子星或一个黑洞）合并后才会发生。
除了挑战长期以来关于GRB是如何形成的既定信念之外，这项新发现还导致了对宇宙中最重元素的神秘形成的新认识。
这项研究于12月7日发表在《自然》杂志上。
领导这项研究的西北大学的Jillian Rastinejad说："这个事件看起来与我们以前看到的长伽玛射线暴不同。它的伽马射线类似于那些由大质量恒星坍缩产生的爆裂。鉴于我们观察到的所有其他确认的中子星合并都伴随着持续时间不到两秒的爆发，我们完全有理由期待这个50秒的GRB是由一颗大质量恒星的坍缩产生的。这个事件代表了伽马射线暴天文学的一个令人兴奋的范式转变。"
"当我们跟踪这个长伽马射线暴时，我们预计它将导致大质量恒星坍缩的证据，"西北大学的Fong说，他是这项研究的高级作者。"相反，我们发现的情况却非常不同。当我15年前进入这个领域时，长伽马射线暴来自于大质量恒星坍缩，这已经是定论了。这个意外的发现不仅代表了我们认识上的一个重大转变，而且令人激动地打开了一扇新的发现之窗。"
Fong是西北大学温伯格文理学院的物理学和天文学助理教授，也是天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的主要成员。Rastinejad是天文学博士生，也是Fong研究小组的成员，是论文的第一作者。
作为自大爆炸以来最明亮和最有能量的爆炸，GRBs被分为两类。持续时间少于两秒的GRB被认为是短GRB。如果一个GRB的时间超过两秒，那么它就被认为是长GRB。研究人员此前认为，分界线两边的GRB一定有不同的起源。
2021年12月，尼尔-盖尔斯-斯威夫特天文台的爆裂警报望远镜和费米伽马射线空间望远镜发现了一个明亮的伽马射线光爆，被命名为GRB211211A。GRB211211A的长度刚刚超过50秒，最初看起来并没有什么特别之处。但是，位于大约11亿光年之外--不管你信不信，这离地球比较近--天体物理学家决定详细研究这个"附近"的事件，使用大量的望远镜，可以观察整个电磁波谱。
为了用近红外波长对该事件进行成像，该团队迅速启动了与夏威夷双子座天文台的成像。在检查了近红外图像后，研究小组发现了一个令人难以置信的微弱物体，它很快就消失了。超新星不会消退得那么快，而且要亮得多，所以研究小组意识到它发现了一些以前被认为不可能的意外情况。
Fong说："在我们的夜空中，有很多天像表现会迅速消退。我们用不同的滤镜对一个来源进行成像，以获得颜色信息，这有助于我们确定该来源的身份。在这种情况下，红色占了上风，而较蓝的颜色消逝得更快。这种颜色的演变是千新星的标志，而千新星只能来自中子星的合并。"
由于中子星是紧凑的天体，研究人员以前认为中子星不包含足够的物质来驱动一个长时间的GRB。另一方面，大质量恒星的质量可以是我们太阳的几十到几百倍。当垂死的恒星坍缩时，它的物质向内坠落，为新形成的黑洞提供能量。但是，由于黑洞的磁场，一些向内降落的物质以接近光速的速度向外发射--为GRB提供能量。
"当你把两颗中子星放在一起时，那里其实没有多少质量，"Fong解释说。"但看似不多的质量会快速增加，然后为一个非常短的爆发提供动力。在大质量恒星坍缩的情况下，为较长的伽马射线暴提供动力，通常需要有一个较长的'喂养'时间。"
该事件并不是该研究中唯一奇怪的部分。该伽马射线暴的宿主星系也相当令人好奇。命名为SDSS J140910.47+275320.8的宿主星系是年轻的、正在形成恒星的，几乎与其他唯一已知的本地宇宙中子星合并事件的宿主完全相反。GW170817的宿主星系NGC4993。为了分析这个宿主星系，研究小组使用了来自W.M. Keck天文台的数据，西北大学拥有特殊的远程访问权。
"在探测到GW170817和它与一个巨大的、红色和死亡的宿主星系的联系之后，许多天文学家认为近宇宙中中子星合并的宿主将看起来与NGC4993类似，"西北大学天文学博士生和研究报告的共同作者Anya Nugent说。"但是这个星系相当年轻，正在积极形成恒星，而且实际上没有那么大的质量。事实上，它看起来更类似于在宇宙深处看到的短GRB宿主。我认为它改变了我们的观点，即当我们在寻找附近的千新星时，我们应该观察哪些类型的星系。"
它还改变了天体物理学家可能采取的寻找重元素的方法，如铂和金。尽管研究人员已经能够研究产生较轻元素的天文工厂，如氦、硅和碳，但天体物理学家认为超新星爆炸和中子星合并会产生最重的元素。然而，很少有人观察到它们产生的清晰特征。
千新星是由宇宙中一些最重的元素的放射性衰变提供能量。但是千新星很难被观测到，而且消逝得非常快。现在，我们知道我们还可以利用一些长的伽马射线暴来寻找更多的千新星。
现在，詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）正在运行，天体物理学家将能够在千新星内寻找更多线索。因为JWST能够捕捉到天体的图像和光谱，它可以检测到天体发出的特定元素。利用韦伯号，天体物理学家最终可能获得重元素形成的直接观测证据。
"不幸的是，即使是最好的地基望远镜也没有足够的灵敏度来进行光谱分析，"Rastinejad说。"通过JWST，我们可以获得千新星的光谱。那些光谱线提供了直接的证据，你已经检测到了最重的元素。"