Kolaps masivní hvězdy způsobil nejjasnější a nejdelší gama záblesk

Foto: AARON M. GELLER / NORTHWESTERN / CIERA / IT RESEARCH COMPUTING AND DATA SERVICES/Tiskový zdroj

Zatímco tento objev řeší jednu záhadu, další záhada se prohlubuje. Pozorování kosmického dalekohledu Jamese Webba nevykazují žádné známky těžkých prvků. V říjnu 2022 pozoroval mezinárodní tým výzkumníků, včetně astrofyziků Northwestern University, dosud nejjasnější gama záblesk (GRB), jaký byl kdy zaznamenán, GRB 221009A.

Nyní tým pod vedením Severozápadu potvrdil, že fenomén odpovědný za historický výbuch, přezdívaný BOAT („nejjasnější všech dob“), je kolaps a následná exploze masivní hvězdy. Tým objevil explozi nebo supernovu pomocí vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST) NASA. 

Zatímco tento objev řeší jednu záhadu, další záhada se prohlubuje. 

Vědci spekulovali, že důkazy o těžkých prvcích, jako je platina a zlato, by se mohly nacházet v nově objevené supernově. Rozsáhlé pátrání však nenašlo podpis, který takové prvky doprovází. Původ těžkých prvků ve vesmíru nadále zůstává jednou z největších otevřených otázek astronomie.

„Když jsme potvrdili, že GRB byl generován kolapsem masivní hvězdy, dalo nám to příležitost otestovat hypotézu, jak se tvoří některé z nejtěžších prvků ve vesmíru,“ řekl  Peter Blanchard z Northwesternu, který vedl studii. „Neviděli jsme známky těchto těžkých prvků, což naznačuje, že extrémně energetické GRB jako BOAT tyto prvky neprodukují.“ To neznamená, že je nevyrábějí všechny GRB, ale je to klíčová informace, protože stále chápeme, odkud tyto těžké prvky pocházejí. Budoucí pozorování s JWST určí, zda „normální“ bratranci ČLUNU produkují tyto prvky.“

Zrození LODĚ

Když její světlo zalilo Zemi 9. října 2022, byla LOĎ tak jasná, že nasytila ​​většinu světových detektorů gama záření. K silné explozi došlo přibližně 2,4 miliardy světelných let daleko od Země ve směru souhvězdí Sagitta a trvala několik set sekund. Když se astronomové snažili pozorovat původ tohoto neuvěřitelně jasného jevu, okamžitě je zasáhl pocit úžasu.

„Dokud jsme schopni detekovat GRB, není pochyb o tom, že tento GRB je nejjasnější, jakého jsme kdy viděli, s faktorem 10 nebo více,“ řekla Wen-fai Fongová, docentka fyziky a astronomie ze Severozápadní univerzity, Vysoké školy umění a vědy a členka CIERA.

„Událost vytvořila některé z fotonů s nejvyšší energií, jaké kdy byly zaznamenány satelity navrženými k detekci gama záření,“ řekl Blanchard. „Byla to událost, kterou Země vidí jen jednou za 10 000 let.“ Máme štěstí, že žijeme v době, kdy máme technologii k detekci těchto výbuchů, které se odehrávají v celém vesmíru. Je tak vzrušující pozorovat tak vzácný astronomický jev, jako je LOĎ, a pracovat na pochopení fyziky za touto výjimečnou událostí.“

„Normální“ supernova

Blanchard, jeho blízká spolupracovnice Ashley Villarová z Harvardské univerzity a jejich tým, než aby událost okamžitě sledovali, chtěli vidět GRB během jeho pozdějších fází. Asi šest měsíců poté, co byl GRB původně detekován, Blanchard použil JWST k prozkoumání jeho následků.

GRB byla tak jasná, že zakryla jakoukoli potenciální signaturu supernovy v prvních týdnech a měsících po výbuchu. V této době probíhal takzvaný dosvit GRB jako světlomety auta jedoucího přímo na vás, které vám bránily vidět samotné auto. Museli jsme tedy počkat, až výrazně zeslábne, abychom měli šanci supernovu spatřit.

Blanchard použil blízký infračervený spektrograf JWST k pozorování světla objektu na infračervených vlnových délkách. Tehdy spatřil charakteristický podpis prvků, jako je vápník a kyslík, které se obvykle vyskytují v supernově. Překvapivě nebyl výjimečně jasný, jako neuvěřitelně jasný GRB, který doprovázel.

„Není o nic jasnější než předchozí supernovy,“ řekl Blanchard. „Vypadá to docela normálně v kontextu jiných supernov spojených s méně energetickými GRB.“ Dalo by se očekávat, že stejná kolabující hvězda produkující velmi energetický a jasný GRB by také vytvořila velmi energetickou a jasnou supernovu. Ale ukazuje se, že tomu tak není. Máme tento extrémně svítivý GRB, ale normální supernovu.“

Absence těžkých prvků

Poté, co Blanchard a jeho spolupracovníci poprvé potvrdili přítomnost supernovy, hledali v ní důkazy o těžkých prvcích. V současné době mají astrofyzici neúplný obrázek o všech mechanismech ve vesmíru, které mohou produkovat prvky těžší než železo.

Primární mechanismus výroby těžkých prvků, proces rychlého záchytu neutronů, vyžaduje vysokou koncentraci neutronů. Astrofyzici zatím potvrdili pouze produkci těžkých prvků prostřednictvím tohoto procesu při splynutí dvou neutronových hvězd, kolizi detekovanou laserovým interferometrem Gravitational-Wave Observatory (LIGO) v roce 2017. Vědci však tvrdí, že musí existovat jiné způsoby výroby tyto nepolapitelné materiály. Ve vesmíru je prostě příliš mnoho těžkých prvků a příliš málo sloučení neutronových hvězd.

„Pravděpodobně existuje jiný zdroj,“ řekl Blanchard. „Sloučení binárních neutronových hvězd trvá velmi dlouho. Dvě hvězdy v binárním systému musí nejprve explodovat, aby za sebou zanechaly neutronové hvězdy. Pak to může trvat miliardy a miliardy let, než se dvě neutronové hvězdy pomalu přibližují a nakonec se spojí. Ale pozorování velmi starých hvězd naznačují, že části vesmíru byly obohaceny těžkými kovy dříve, než většina binárních neutronových hvězd měla čas se sloučit. To nás ukazuje na alternativní kanál.“

Astrofyzici předpokládali, že těžké prvky mohou vzniknout také kolapsem rychle rotující masivní hvězdy, přesného typu hvězdy, která vytvořila LOĎ Pomocí infračerveného spektra získaného pomocí JWST Blanchard studoval vnitřní vrstvy supernovy, kde by měly být vytvořeny těžké prvky.  

„Explodovaný materiál hvězdy je v raných dobách neprůhledný, takže můžete vidět pouze vnější vrstvy,“ řekl Blanchard. „Ale jakmile se roztáhne a ochladí, stane se průhledným.“ Pak můžete vidět fotony vycházející z vnitřní vrstvy supernovy.

„Navíc různé prvky absorbují a emitují fotony na různých vlnových délkách v závislosti na jejich atomové struktuře, což dává každému prvku jedinečný spektrální podpis,“ vysvětlil Blanchard. „Proto nám pohled na spektrum objektu může říci, jaké prvky jsou přítomny. Při zkoumání spektra ČLONU jsme nezaznamenali žádné známky těžkých prvků, což naznačuje, že extrémní události jako GRB 221009A nejsou primárními zdroji. To je zásadní informace, protože se i nadále snažíme zjistit, kde se tvoří nejtěžší prvky.“

Proč tolik svítí?

Aby vědci oddělili světlo supernovy od světla jasného dosvitu, který před ní přišel, spojili data JWST s pozorováními z Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) v Chile. 

„Dokonce i několik měsíců poté, co byl výbuch objeven, byl dosvit dostatečně jasný, aby přispěl velkým množstvím světla ve spektrech JWST,“ řekl Tanmoy Laskar, odborný asistent fyziky a astronomie na University of Utah a spoluautor studie. studie. „Kombinace dat ze dvou dalekohledů nám pomohla přesně změřit, jak jasný byl dosvit v době našich pozorování JWST, a umožnila nám pečlivě extrahovat spektrum supernovy.“

Ačkoli astrofyzici ještě musí odhalit, jak „normální“ supernova a rekordní GRB byly vytvořeny stejnou zhroucenou hvězdou, Laskar řekl, že to může souviset s tvarem a strukturou relativistických výtrysků. Při rychlé rotaci se masivní hvězdy zhroutí do černých děr a produkují výtrysky materiálu, které startují rychlostí blízkou rychlosti světla. Pokud jsou tyto výtrysky úzké, produkují soustředěnější a jasnější paprsek světla.

„Je to jako zaostřit paprsek baterky do úzkého sloupce, na rozdíl od širokého paprsku, který prochází celou stěnou,“ řekl Laskar. „Ve skutečnosti se jednalo o jeden z nejužších výtrysků, které byly dosud pozorovány u gama záblesku, což nám dává tušit, proč se dosvit objevil tak jasně, jak se objevil.“ Mohou za to i jiné faktory, což je otázka, kterou budou výzkumníci studovat v nadcházejících letech.“

Další stopy mohou také pocházet z budoucích studií galaxie, ve které se LOĎ vyskytla. „Kromě spektra samotné LODĚ jsme získali také spektrum její ‚hostitelské‘ galaxie,“ řekl Blanchard. „Spektrum vykazuje známky intenzivní tvorby hvězd, což naznačuje, že prostředí zrození původní hvězdy se může lišit od předchozích událostí.“  

Člen týmu Yijia Li, postgraduální student na Penn State, modeloval spektrum galaxie a zjistil, že hostitelská galaxie BOATu má nejnižší metalicitu, což je míra množství prvků těžších než vodík a helium, ze všech předchozích hostitelských galaxií GRB. „Toto je další jedinečný aspekt LODĚ, který může pomoci vysvětlit její vlastnosti,“ řekl Li. 

Studii „JWST detekce supernovy spojené s GRB 221009A bez podpisu r-processu“ podpořila NASA (číslo ocenění JWST-GO-2784) a National Science Foundation (čísla ocenění AST-2108676 a AST-2002577). Tato práce je založena na pozorováních provedených vesmírným teleskopem Jamese Webba NASA/ESA/CSA.

Článek byl upraven z tisové zprávy AAAS.