W październiku 2022 roku międzynarodowy zespół badaczy, w skład którego wchodzili astrofizycy z Northwestern University, zaobserwował najjaśniejszy rozbłysk gamma (GRB), jaki kiedykolwiek zarejestrowano, GRB 221009A.
Teraz zespół kierowany przez Northwestern potwierdził, że zjawiskiem odpowiedzialnym za historyczny rozbłysk – nazwany ŁODZIą („najjaśniejszy w historii”) – jest zapadnięcie się, a następnie eksplozja masywnej gwiazdy. Zespół odkrył eksplozję, czyli supernową, za pomocą należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST).
Podczas gdy to odkrycie rozwiązuje jedną tajemnicę, inna tajemnica się pogłębia.
Naukowcy spekulowali, że w nowo odkrytej supernowej mogą znajdować się dowody na obecność ciężkich pierwiastków, takich jak platyna i złoto. W wyniku szeroko zakrojonych poszukiwań nie udało się jednak znaleźć sygnatury towarzyszącej takim elementom. Pochodzenie ciężkich pierwiastków we wszechświecie pozostaje jednym z największych otwartych pytań astronomii.
Wyniki badań zostaną opublikowane w piątek (12 kwietnia) w czasopiśmie Nature Astronomy.
„Kiedy potwierdziliśmy, że GRB powstał w wyniku zapadnięcia się masywnej gwiazdy, dało nam to możliwość przetestowania hipotezy dotyczącej powstawania niektórych z najcięższych pierwiastków we wszechświecie” – powiedział Peter Blanchard z Northwestern, który kierował badaniami. „Nie widzieliśmy sygnatur tych ciężkich pierwiastków, co sugeruje, że niezwykle energetyczne GRB, takie jak BOAT, nie wytwarzają tych pierwiastków. Nie oznacza to, że wszystkie GRB ich nie wytwarzają, ale jest to kluczowa informacja, którą wciąż rozumiemy skąd pochodzą te ciężkie pierwiastki. Przyszłe obserwacje za pomocą JWST pozwolą ustalić, czy „normalni” kuzyni BOAT wytwarzają te pierwiastki”.
Blanchard jest stażystą podoktorskim w Centrum Interdyscyplinarnych Eksploracji i Badań Astrofizycznych (CIERA) w Northwestern, gdzie bada superjasne supernowe i GRB. W badaniu biorą udział współautorzy z Centrum Astrofizyki | Harvarda i Smithsona; Uniwersytet Utah; Penn State; Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley; Uniwersytet Radbound w Holandii; Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych; Uniwersytet Arizony/Obserwatorium Stewarda; Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara; Uniwersytet Columbia; Instytut Flatiron; Uniwersytet w Greifswaldzie i Uniwersytet w Guelph.
Narodziny ŁODZI
Kiedy 9 października 2022 roku światło sondy BOAT ogarnęło Ziemię, było tak jasne, że przesłoniło większość detektorów promieniowania gamma na świecie. Potężna eksplozja miała miejsce w odległości około 2,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi, w kierunku gwiazdozbioru Strzelca i trwała kilkaset sekund. Kiedy astronomowie starali się zaobserwować pochodzenie tego niezwykle jasnego zjawiska, natychmiast ogarnęło ich poczucie podziwu.
„Dopóki jesteśmy w stanie wykryć GRB, nie ma wątpliwości, że ten GRB jest najjaśniejszym, jakiego kiedykolwiek byliśmy świadkami, co najmniej 10-krotnie” – Wen-fai Fong, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii w Weinberg w Northwestern College of Arts and Sciences oraz członek CIERA, powiedział wówczas.
„W wyniku zdarzenia wyemitowano fotony o największej energii, jakie kiedykolwiek zarejestrowały satelity zaprojektowane do wykrywania promieni gamma” – powiedział Blanchard. „To było zjawisko, które Ziemia widzi tylko raz na 10 000 lat. Mamy szczęście, że żyjemy w czasach, gdy dysponujemy technologią umożliwiającą wykrywanie takich rozbłysków zachodzących w całym wszechświecie. Obserwowanie tak rzadkiego zjawiska astronomicznego, jak ŁODZI i pracuj nad zrozumieniem fizyki stojącej za tym wyjątkowym wydarzeniem.”
„Normalna” supernowa
Zamiast natychmiast obserwować wydarzenie, Blanchard, jego bliska współpracowniczka Ashley Villar z Uniwersytetu Harvarda i ich zespół chcieli obejrzeć GRB w jego późniejszych fazach. Około sześć miesięcy po pierwszym wykryciu GRB Blanchard użył JWST do zbadania jego następstw.
„GRB był tak jasny, że przesłonił wszelkie potencjalne sygnatury supernowej w pierwszych tygodniach i miesiącach po wybuchu” – powiedział Blanchard. „W tamtych czasach tak zwana poświata GRB przypominała reflektory samochodu jadącego prosto na Ciebie i uniemożliwiała dostrzeżenie samego samochodu. Musieliśmy więc poczekać, aż znacznie zniknie, aby dać nam szansę na widząc supernową.”
Blanchard użył spektrografu bliskiej podczerwieni JWST do obserwacji światła obiektu w zakresie fal podczerwonych. Wtedy właśnie dostrzegł charakterystyczną sygnaturę pierwiastków, takich jak wapń i tlen, zwykle występujących w supernowych. Co zaskakujące, nie była wyjątkowo jasna – jak niesamowicie jasny GRB, któremu towarzyszył.
„Nie jest jaśniejsza od poprzednich supernowych” – powiedział Blanchard. „Wygląda całkiem normalnie w kontekście innych supernowych powiązanych z mniej energetycznymi GRB. Można się spodziewać, że ta sama zapadająca się gwiazda wytwarzająca bardzo energetyczny i jasny GRB wytworzy także bardzo energetyczną i jasną supernową. Okazuje się jednak, że tak nie jest Mamy niezwykle jasny GRB, ale to zwykła supernowa.”
Brakujące: Elementy ciężkie
Po potwierdzeniu – po raz pierwszy – obecności supernowej Blanchard i jego współpracownicy zaczęli następnie szukać dowodów na obecność w niej ciężkich pierwiastków. Obecnie astrofizycy mają niepełny obraz wszystkich mechanizmów we wszechświecie, które mogą wytwarzać pierwiastki cięższe od żelaza.
Podstawowy mechanizm wytwarzania ciężkich pierwiastków, proces szybkiego wychwytu neutronów, wymaga wysokiego stężenia neutronów. Jak dotąd astrofizycy potwierdzili produkcję ciężkich pierwiastków w tym procesie jedynie podczas łączenia się dwóch gwiazd neutronowych – kolizji wykrytej przez Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Laserowego Interferometru (LIGO) w 2017 r. Naukowcy twierdzą jednak, że muszą istnieć inne sposoby wytwarzania te nieuchwytne materiały. We wszechświecie jest po prostu za dużo ciężkich pierwiastków, a za mało połączeń gwiazd neutronowych.
„Prawdopodobnie istnieje inne źródło” – powiedział Blanchard. „Połączenie podwójnych gwiazd neutronowych zajmuje bardzo dużo czasu. Dwie gwiazdy w układzie podwójnym muszą najpierw eksplodować, aby pozostawić po sobie gwiazdy neutronowe. Następnie może minąć wiele miliardów lat, zanim obie gwiazdy neutronowe powoli się do siebie zbliżą i bliżej i ostatecznie się łączą. Jednak obserwacje bardzo starych gwiazd wskazują, że części Wszechświata zostały wzbogacone w metale ciężkie, zanim większość podwójnych gwiazd neutronowych zdążyła się połączyć. To wskazuje nam alternatywny kanał.”
Astrofizycy postawili hipotezę, że ciężkie pierwiastki mogą również powstawać w wyniku zapadnięcia się szybko wirującej, masywnej gwiazdy – dokładnie tego typu gwiazdy, która wygenerowała ŁODĘ. Korzystając z widma w podczerwieni uzyskanego przez JWST, Blanchard zbadał wewnętrzne warstwy supernowej, gdzie powinny powstać ciężkie pierwiastki.
„Wybuchająca materia gwiazdy jest na początku nieprzezroczysta, więc widać tylko zewnętrzne warstwy” – powiedział Blanchard. „Ale kiedy się rozszerzy i ostygnie, staje się przezroczysty. Można wtedy zobaczyć fotony pochodzące z wewnętrznej warstwy supernowej”.
„Co więcej, różne pierwiastki absorbują i emitują fotony o różnych długościach fal, w zależności od ich struktury atomowej, nadając każdemu pierwiastkowi unikalną sygnaturę widmową” – wyjaśnił Blanchard. „Dlatego spojrzenie na widmo obiektu może nam powiedzieć, jakie pierwiastki są w nim obecne. Po zbadaniu widma BOAT nie dostrzegliśmy żadnych sygnatur ciężkich pierwiastków, co sugeruje, że ekstremalne zdarzenia, takie jak GRB 221009A, nie są źródłami pierwotnymi. Jest to kluczowa informacja dla dalszych prac. spróbować określić, gdzie powstają najcięższe pierwiastki.”
Dlaczego tak jasno?
Aby odróżnić światło supernowej od jasnej poświaty, która pojawiła się przed nią, naukowcy połączyli dane JWST z obserwacjami z Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) w Chile.
„Nawet kilka miesięcy po odkryciu rozbłysku poświata była wystarczająco jasna, aby wnieść dużo światła do widm JWST” – powiedział Tanmoy Laskar, adiunkt fizyki i astronomii na Uniwersytecie Utah oraz współautor publikacji pt. badanie. „Połączenie danych z dwóch teleskopów pomogło nam dokładnie zmierzyć jasność poświaty w czasie naszych obserwacji JWST i pozwoliło nam dokładnie wyodrębnić widmo supernowej”.
Chociaż astrofizycy muszą jeszcze odkryć, w jaki sposób ta sama zapadnięta gwiazda wytworzyła „normalną” supernową i rekordowy GRB, Laskar stwierdził, że może to być powiązane z kształtem i strukturą relatywistycznych dżetów. Podczas szybkiego wirowania masywne gwiazdy zapadają się w czarne dziury, wytwarzając strumienie materiału, które wystrzeliwują z prędkością bliską prędkości światła. Jeśli te strumienie są wąskie, wytwarzają bardziej skupioną – i jaśniejszą – wiązkę światła.
„To jakby skupić wiązkę latarki na wąskiej kolumnie, a nie na szerokiej wiązce oświetlającej całą ścianę” – powiedział Laskar. „W rzeczywistości był to jeden z najwęższych dżetów zaobserwowanych dotychczas w przypadku rozbłysku gamma, co daje nam wskazówkę, dlaczego poświata wydawała się tak jasna, jak była. Mogą za to odpowiadać również inne czynniki, a pytanie, które należy zadać, badacze będą badać przez wiele lat.”
Dodatkowe wskazówki mogą również pochodzić z przyszłych badań galaktyki, w której pojawiła się ŁÓDŹ. „Oprócz widma samej BOAT otrzymaliśmy także widmo jej galaktyki macierzystej” – powiedział Blanchard. „Widmo wykazuje oznaki intensywnego powstawania gwiazd, co sugeruje, że środowisko narodzin pierwotnej gwiazdy może różnić się od poprzednich wydarzeń”.
Członek zespołu Yijia Li, absolwent Penn State, modelował widmo galaktyki i odkrył, że galaktyka macierzysta BOAT ma najniższą metaliczność – miarę obfitości pierwiastków cięższych od wodoru i helu – ze wszystkich poprzednich galaktyk macierzystych GRB. „To kolejny wyjątkowy aspekt BOAT, który może pomóc w wyjaśnieniu jego właściwości” – powiedział Li.
Badanie „Wykrywanie supernowej JWST powiązanej z GRB 221009A bez sygnatury r-process” było wspierane przez NASA (numer nagrody JWST-GO-2784) i National Science Foundation (numery nagród AST-2108676 i AST-2002577). . Praca ta opiera się na obserwacjach przeprowadzonych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba NASA/ESA/CSA.