_ Cercetătorii confirmă cea mai strălucitoare gama gama -explozia de raze din toate timpurile a venit din prăbușirea unei stele masive

În octombrie 2022, o echipă internațională de cercetători, inclusiv astrofizicieni de la Universitatea Northwestern, a observat cea mai strălucitoare explozie de raze gamma (GRB) înregistrată vreodată, GRB. 221009A.

Acum, o echipă condusă de nord-vest a confirmat că fenomenul responsabil pentru izbucnirea istorică – numit B.O.A.T. ("cel mai strălucitor din toate timpurile") - este prăbușirea și explozia ulterioară a unei stele masive. Echipa a descoperit explozia sau supernova folosind telescopul spațial James Webb (JWST) de la NASA.

În timp ce această descoperire rezolvă un mister, un alt mister se adâncește.

Cercetătorii au speculat că dovezile elemente grele, cum ar fi platina și aurul, ar putea locui în noua supernova descoperită. Căutarea amplă nu a găsit însă semnătura care însoțește astfel de elemente. Originea elementelor grele din univers continuă să rămână una dintre cele mai mari întrebări deschise ale astronomiei.

Cercetarea este publicată în revista Nature Astronomy.

„Când am confirmat că GRB a fost generat de prăbușirea unei stele masive, ceea ce ne-a oferit posibilitatea de a testa o ipoteză privind modul în care se formează unele dintre cele mai grele elemente din univers”, a spus Peter Blanchard, de la Northwestern, care a condus studiul.

„Nu am văzut semnături ale acestor elemente grele, sugerând că GRB-urile extrem de energice precum B.O.A.T. nu produc aceste elemente. Asta nu înseamnă că nu toate GRB-urile le produc, dar este o informație cheie, pe măsură ce continuăm să înțelegem. de unde provin aceste elemente grele. Observațiile viitoare cu JWST vor determina dacă verii „normali” ai B.O.A.T. produc aceste elemente.”

Când lumina sa a trecut peste Pământ pe 9 octombrie 2022, B.O.A.T. era atât de strălucitor încât a saturat majoritatea detectorilor de raze gamma din lume. Puternica explozie a avut loc la aproximativ 2,4 miliarde de ani lumină depărtare de Pământ, în direcția constelației Sagitta și a durat câteva sute de secunde. În timp ce astronomii se străduiau să observe originea acestui fenomen incredibil de strălucitor, au fost imediat loviți de un sentiment de uimire.

„Atâta timp cât am reușit să detectăm GRB-uri, nu există nicio îndoială că acest GRB este cel mai strălucitor la care am fost vreodată martori cu un factor de 10 sau mai mult”, a declarat la acea vreme Wen-fai Fong, profesor asociat de fizică și astronomie la Colegiul de Arte și Științe Weinberg din Northwestern și membru al CIERA.

În loc să observe evenimentul imediat, Blanchard, colaboratorul său apropiat Ashley Villar de la Universitatea Harvard și echipa lor au dorit să vadă GRB în fazele sale ulterioare. La aproximativ șase luni după ce GRB a fost detectat inițial, Blanchard a folosit JWST pentru a-și examina consecințele.

„GRB a fost atât de strălucitor încât a ascuns orice semnătură potențială a supernovei în primele săptămâni și luni după explozie.” spuse Blanchard. „În aceste momente, așa-numita strălucire a GRB era ca farurile unei mașini care vin direct spre tine, împiedicându-te să vezi mașina în sine. Așa că, a trebuit să așteptăm ca aceasta să se estompeze semnificativ pentru a ne oferi șansa de a văzând supernova”.

Blanchard a folosit spectrograful în infraroșu apropiat al JWST pentru a observa lumina obiectului la lungimi de undă în infraroșu. Atunci a văzut semnătura caracteristică a unor elemente precum calciul și oxigenul care se găsesc de obicei într-o supernova. În mod surprinzător, nu a fost excepțional de strălucitor, precum GRB-ul incredibil de strălucitor pe care îl însoțea.

„Nu este mai luminos decât supernovele anterioare”, a spus Blanchard. „Pare destul de normal în contextul altor supernove asociate cu GRB-uri mai puțin energice. Vă puteți aștepta ca aceeași stea care se prăbușește care produce un GRB foarte energetic și strălucitor să producă și o supernovă foarte energică și strălucitoare. Dar se pare că nu este cazul. Avem acest GRB extrem de luminos, dar o supernovă normală.”

După ce au confirmat – pentru prima dată – prezența supernovei, Blanchard și colaboratorii săi au căutat apoi dovezi ale elementelor grele din ea. În prezent, astrofizicienii au o imagine incompletă a tuturor mecanismelor din univers care pot produce elemente mai grele decât fierul.

Mecanismul principal de producere a elementelor grele, procesul rapid de captare a neutronilor, necesită o concentrație mare de neutroni. Până acum, astrofizicienii au confirmat doar producția de elemente grele prin acest proces în fuziunea a două stele neutronice, o coliziune detectată de Observatorul cu unde gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO) în 2017.

Dar oamenii de știință spun trebuie să existe și alte modalități de a produce aceste materiale evazive. Pur și simplu, există prea multe elemente grele în univers și prea puține fuziuni cu stele neutroni.

„Este probabil o altă sursă”, a spus Blanchard. „Este nevoie de foarte mult timp pentru a fuziona stelele binare cu neutroni. Două stele dintr-un sistem binar trebuie mai întâi să explodeze pentru a lăsa în urmă stele cu neutroni. Apoi, poate dura miliarde și miliarde de ani pentru ca cele două stele neutronice să se apropie încet și mai aproape și în cele din urmă se îmbină.

„Dar observațiile stelelor foarte vechi indică faptul că părți ale universului au fost îmbogățite cu metale grele înainte ca majoritatea stelelor binare cu neutroni să fi avut timp să fuzioneze. Asta ne indică un canal alternativ.”

Astrofizicienii au emis ipoteza că elementele grele ar putea fi produse și de prăbușirea unei stele masive care se învârte rapid – tipul exact de stea care a generat B.O.A.T. Folosind spectrul infraroșu. obținut de JWST, Blanchard a studiat straturile interioare ale supernovei, unde ar trebui să se formeze elementele grele.

„Materialul explodat al stelei este opac la începuturi, așa că puteți vedea doar straturile exterioare. ", a spus Blanchard. "Dar odată ce se extinde și se răcește, devine transparent. Apoi puteți vedea fotonii care provin din stratul interior al supernovei.”

„În plus, diferite elemente absorb și emit fotoni la diferite lungimi de undă, în funcție de structura lor atomică, dând fiecărui element o semnătură spectrală unică, ", a explicat Blanchard. "Prin urmare, privirea la spectrul unui obiect ne poate spune ce elemente sunt prezente. La examinarea spectrului B.O.A.T., nu am văzut nicio semnătură a elementelor grele, sugerând că evenimentele extreme precum GRB 221009A nu sunt surse primare. Aceasta este o informație crucială, în timp ce continuăm să încercăm să identificăm unde se formează cele mai grele elemente.”

Pentru a separa lumina supernovei de cea a strălucirii strălucitoare care a venit înaintea ei, cercetătorii au combinat Date JWST cu observații de la Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) din Chile.

„Chiar și la câteva luni după ce explozia a fost descoperită, strălucirea ulterioară a fost suficient de strălucitoare pentru a contribui cu multă lumină în spectrele JWST. ”, a spus Tanmoy Laskar, profesor asistent de fizică și astronomie la Universitatea din Utah și coautor al studiului.

„Combinarea datelor de la cele două telescoape ne-a ajutat să măsurăm exact cât de strălucitoare a fost strălucirea ulterioară. la momentul observațiilor noastre JWST și ne permit să extragem cu atenție spectrul supernovei.”

Deși astrofizicienii nu au descoperit încă modul în care o supernova „normală” și un GRB de record au fost produse de aceeași stea prăbușită, Laskar a spus că aceasta ar putea fi legată de forma și structura jeturilor relativiste. Când se învârt rapid, stele masive se prăbușesc în găuri negre, produc jeturi de material care se lansează la viteze apropiate de viteza luminii. Dacă aceste jeturi sunt înguste, ele produc un fascicul de lumină mai concentrat – și mai strălucitor.

„Este ca și cum ai focaliza fasciculul unei lanterne într-o coloană îngustă, spre deosebire de un fascicul larg care traversează un întreg perete. ”, a spus Laskar. „De fapt, acesta a fost unul dintre cele mai înguste jeturi văzute pentru o explozie de raze gamma până acum, ceea ce ne oferă un indiciu despre motivul pentru care strălucirea ulterioară a apărut la fel de strălucitoare ca și ea. Pot fi și alți factori responsabili, o întrebare care cercetătorii vor studia anii următori.”

Indiciile suplimentare pot veni, de asemenea, din studiile viitoare ale galaxiei în care B.O.A.T. a avut loc. „Pe lângă un spectru al B.O.A.T. în sine, am obținut și un spectru al galaxiei sale „gazdă”, a spus Blanchard. „Spectrul prezintă semne de formare intensă a stelelor, sugerând că mediul de naștere al stelei originale poate fi diferit de evenimentele anterioare.”

Membru al echipei Yijia Li, student absolvent la Penn State, a modelat spectrul galaxia, constatând că galaxia gazdă a lui B.O.A.T. are cea mai mică metalitate, o măsură a abundenței elementelor mai grele decât hidrogenul și heliul, dintre toate galaxiile gazdă GRB anterioare. „Acesta este un alt aspect unic al B.O.A.T. care poate ajuta la explicarea proprietăților sale”, a spus Li.

Această lucrare se bazează pe observațiile făcute cu telescopul spațial James Webb NASA/ESA/CSA.

Blanchard este bursier postdoctoral la Centrul pentru Explorare Interdisciplinară și Cercetare în Astrofizică (CIERA) din Northwestern, unde studiază supernovele superluminoase și GRB. Studiul include co-autori de la Centrul pentru Astrofizică | Harvard și Smithsonian; Universitatea din Utah; Penn State; Universitatea din California, Berkeley; Universitatea Radbound din Olanda; Institutul de Știință al Telescopului Spațial; Universitatea din Arizona/Observatorul Steward; Universitatea din California, Santa Barbara; Universitatea Columbia; Institutul Flatiron; Universitatea din Greifswald și Universitatea din Guelph.

(Fluierul)