伽玛射线爆发的艺术插图。鸣谢:国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/M.加尔利克/M.扎马尼
据西北大学：在寻找强大的伽马射线爆发(GRB)的起源时，一个国际天体物理学家小组可能偶然发现了一种摧毁恒星的新方法。
尽管大多数伽马射线暴源自大质量恒星爆炸或中子星合并，但研究人员得出结论，GRB 191019A反而来自古老星系核心超大质量黑洞周围拥挤环境中的恒星碰撞或恒星残余。这种毁灭德比的环境指向了一种长期假设的——但从未见过的——毁灭恒星并产生GRB的方式。
这项研究发表在《自然天文学》杂志上。由荷兰拉德布大学领导的研究小组包括来自西北大学的天文学家。
“对于每一百个符合伽马射线爆发传统分类方案的事件，至少有一个古怪的事件让我们陷入困境，”西北大学天体物理学家兼研究合著者Wen-fai Fong说，“然而，正是这些古怪的事件告诉我们宇宙能够发生的爆炸的惊人多样性。”
“在致密的恒星系统中发现这些非凡的现象，特别是那些围绕星系核心超大质量黑洞的现象，无疑是令人兴奋的，”西北大学天体物理学家兼研究合著者贾科莫·弗拉吉奥内说。“这一非凡的发现让我们得以一瞥这些宇宙环境中错综复杂的动态，将它们确立为事件的工厂，否则这将被认为是不可能的。”
Fong是西北大学温伯格文理学院物理学和天文学助理教授，也是天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)的成员。Fragione是CIERA的研究助理教授。西北大学的其他合著者包括Anya Nugent和Jillian Rastinejad——两人都是天文学博士生，也是Fong研究小组的成员。
根据质量，大多数恒星以三种可预测的方式死亡。当像我们的太阳这样相对低质量的恒星年老时，它们会脱落外层，最终褪色成为白矮星。另一方面，更大质量的恒星在灾难性的超新星爆炸中燃烧得更亮，爆炸得更快，产生了像中子星和黑洞这样的超密度物体。第三种情况发生在两个这样的恒星残骸形成一个双星系统并最终碰撞的时候。
但是新的研究发现可能有第四种选择。
“我们的结果表明，恒星可能会在宇宙中一些最密集的区域消亡，在那里它们可能会被驱使碰撞，”主要作者安德鲁·莱万说，他是拉德布大学的天文学家。“这对于理解恒星如何死亡以及回答其他问题来说是令人兴奋的，例如哪些意想不到的来源可能产生我们可以在地球上探测到的引力波。”
在恒星形成的黄金时期过后很久，古老的星系几乎没有大质量恒星。然而，它们的核心充满了恒星和超密度恒星残余物，如白矮星、中子星和黑洞。天文学家长期以来一直怀疑，在超大质量黑洞周围活动的动荡蜂巢中，两个恒星物体相撞产生GRB只是时间问题。但是这种合并的证据仍然难以捉摸。
2019年10月19日，当美国宇航局的尼尔·格里尔斯·斯威夫特天文台探测到持续一分多钟的伽马射线明亮闪光时，天文学家瞥见了这种事件的第一个迹象。任何持续超过两秒钟的GRB都被认为是“长的”这种爆发通常来自质量至少是太阳10倍的恒星的坍缩。
然后，研究人员使用智利的双子座南方望远镜——国家科学基金会NOIRLab运营的国际双子座天文台的一部分——对GRB褪色的余辉进行长期观察。
这些观测使天文学家能够将GRB的位置精确定位到距离一个古老星系的核心不到100光年的区域——非常靠近该星系的超大质量黑洞。奇怪的是，研究人员也没有发现相应超新星的证据，这将在双子座南捕获的光线上留下印记。
“伴随长GRB 191019A的超新星的缺乏告诉我们，这次爆发不是典型的大质量恒星坍塌，”Rastinejad说，他进行了计算以确保超新星没有隐藏在数据中。“嵌入主星系核心的GRB 191019A的位置，对引力波发射源可能如何形成的预测但尚未证实的理论提出了挑战。”
在典型的星系环境中，从碰撞的恒星残留物，如中子星和黑洞，产生长伽马射线暴是非常罕见的。然而，古老星系的核心绝不是典型的，可能有一百万或更多的恒星挤在一个仅几光年宽的区域内。
这种极端的人口密度可能足够大，以至于偶尔会发生恒星碰撞，特别是在超大质量黑洞的巨大引力影响下，这将扰乱恒星的运动，并使它们向随机方向倾斜。最终，这些任性的恒星会相交并融合，引发巨大的爆炸，从遥远的宇宙距离都可以观测到。
“这一事件几乎打破了我们对短伽玛暴和长伽玛暴环境的所有预期，”纽金特说，他对宿主星系进行了至关重要的建模。
“虽然长伽玛暴从未在像GRB 191019A的宿主一样古老和死亡的星系中发现，但短伽玛暴，以及它们的合并起源，还没有被观察到与它们宿主的原子核有如此的联系。在它古老的静止星系的核心发现这一事件，为以前很少观察到的双星系统的形成打开了有希望的新途径。"
这种事件可能经常发生在宇宙中类似的拥挤区域，但直到现在才被注意到。它们模糊不清的一个可能原因是星系中心充满了尘埃和气体，这可能掩盖了GRB最初的闪光和随之而来的余辉。GRB 191019A可能是一个罕见的例外，它允许天文学家探测到这次爆发并研究其后果。
“虽然这是首次发现此类事件，但可能还有更多事件被星系附近的大量尘埃所掩盖，”Fong说。“事实上，如果这种持续时间长的事件来自于致密天体的合并，那么它就导致了不断增长的伽玛暴数量，这违背了我们的传统分类。”
通过努力发现更多这样的事件，研究人员希望将GRB探测与相应的引力波探测相匹配，这将揭示更多关于它们的真实性质并确认它们的起源——即使在最黑暗的环境中。维拉·c·鲁宾天文台将于2025年上线，它将在这类研究中发挥不可估量的作用。
这项名为“来自古老星系核心的动力起源的长时间伽马射线爆发”的研究发表在《自然天文学》上。
