Den klareste gammastråle, der nogensinde er set, kom fra en kollapsende stjerne

Efter en rejse, der varede omkring to milliarder år, ramte fotoner fra et ekstremt energisk gamma-ray burst (GRB) sensorerne på Neil Gehrels Swift Observatory og Fermi Gamma-Ray Space Telescope den 9. oktober 2022. GRB'en varede syv minutter, men var synlig meget længere. Selv amatørastronomer opdagede det kraftige udbrud i synlige frekvenser.

Den var så kraftig, at den påvirkede Jordens atmosfære, en bemærkelsesværdig bedrift for noget mere end to milliarder lysår væk. Det er den lyseste GRB, der nogensinde er observeret, og siden da har astrofysikere søgt efter dens kilde.

NASA siger, at GRB'er er de kraftigste eksplosioner i universet. De blev først opdaget i slutningen af ​​1960'erne af amerikanske satellitter opsendt for at holde øje med USSR. Amerikanerne var bekymrede for, at russerne kunne blive ved med at teste atomvåben på trods af underskrivelsen af ​​1963's traktat om forbud mod atomprøvesprængninger.

Nu registrerer vi omkring en GRB dagligt, og de er altid i fjerne galakser. Astrofysikere kæmpede for at forklare dem og kom med forskellige hypoteser. Der var så meget forskning i dem, at i år 2.000 blev der i gennemsnit offentliggjort 1,5 artikler om GRB'er i videnskabelige tidsskrifter dagligt.

Der var mange forskellige foreslåede årsager. Nogle troede, at GRB'er kunne frigives, når kometer kolliderede med neutronstjerner. Andre troede, at de kunne komme fra massive stjerner, der kollapsede og blev til sorte huller. Faktisk spekulerede forskere på, om kvasarer, supernovaer, pulsarer og endda kuglehobe kunne være årsagen til GRB'er eller på en eller anden måde forbundet med dem.

GRB'er er forvirrende, fordi deres lyskurver er så komplekse. Ikke to er identiske. Men astrofysikere gjorde fremskridt, og de har lært et par ting. Kortvarige GRB'er er forårsaget af sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner eller sammensmeltningen af ​​en neutronstjerne og et sort hul. Længerevarende GRB'er er forårsaget af en massiv stjerne, der kollapser og danner et sort hul.

Ny forskning i Naturastronomi undersøgte den ultra-energiske GRB 221009A, døbt "B.O.A.T:Brightest Of All Time", og fandt noget overraskende. Da det oprindeligt blev opdaget, sagde videnskabsmænd, at det var forårsaget af en massiv stjerne, der kollapsede i et sort hul. Det modsiger den nye forskning ikke. Men det præsenterer et nyt mysterium:hvorfor er der ingen tunge grundstoffer i den nyligt afdækkede supernova?

Forskningen er "JWST-detektion af en supernova forbundet med GRB 221009A uden en r-processignatur." Hovedforfatteren er Peter Blanchard, et center for tværfaglig udforskning og forskning i astrofysik (CIERA) postdoc.

"GRB'en var så lysstærk, at den skjulte enhver potentiel supernova-signatur i de første uger og måneder efter eksplosionen," sagde Blanchard. "På disse tidspunkter var den såkaldte efterglød af GRB'en som forlygterne på en bil, der kom lige mod dig, og forhindrede dig i at se selve bilen. Så vi var nødt til at vente på, at den falmede betydeligt for at give os en chance for ser supernovaen."

"Da vi bekræftede, at GRB blev genereret af kollapset af en massiv stjerne, gav det os muligheden for at teste en hypotese for, hvordan nogle af de tungeste grundstoffer i universet er dannet," sagde hovedforfatter Blanchard.

"Vi så ikke signaturer af disse tunge elementer, hvilket tyder på, at ekstremt energiske GRB'er som B.O.A.T. ikke producerer disse elementer. Det betyder ikke, at alle GRB'er ikke producerer dem, men det er en vigtig information, som vi fortsætter med at forstå hvor disse tunge elementer kommer fra. Fremtidige observationer med JWST vil afgøre, om B.O.A.T."s 'normale' fætre producerer disse elementer."

Forskere ved, at supernovaeksplosioner skaber tunge grundstoffer. De er en vigtig kilde til grundstoffer fra oxygen (atomnummer 8) til rubidium (atomnummer 37) i det interstellare medium. De producerer også tungere elementer end det. Tunge grundstoffer er nødvendige for at danne klippeplaneter som Jorden og for selve livet. Men det er vigtigt at bemærke, at astrofysikere ikke helt forstår, hvordan tunge grundstoffer produceres.

"Denne begivenhed er særlig spændende, fordi nogle havde antaget, at et lysende gammastråleudbrud som B.O.A.T. kunne lave en masse tunge elementer som guld og platin," sagde anden forfatter Ashley Villar fra Harvard University og Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian. "Hvis de var korrekte, burde B.O.A.T. have været en guldgrube. Det er virkelig slående, at vi ikke så noget bevis for disse tunge elementer."

Stjerner smeder tunge grundstoffer ved nukleosyntese. Tre processer er ansvarlige for det:p-processen, s-processen og r-processen (protonindfangningsproces, langsom neutronfangstproces og den hurtige neutronfangstproces). r-processen fanger neutroner hurtigere end s- proces og er ansvarlig for omkring halvdelen af ​​de grundstoffer, der er tungere end jern. r-processen er også ansvarlig for de mest stabile isotoper af disse tunge grundstoffer.

Det er alt for at illustrere vigtigheden af ​​r-processen i universet.

Forskerne brugte JWST til at komme til bunds i GRB 221009A. GRB blev sløret af Mælkevejen, men JWST fornemmer infrarødt lys og så lige igennem Mælkevejens gas og støv. Teleskopets NIRSpec (nær infrarød spektrograf) registrerer elementer som ilt og calcium, der normalt findes i supernovaer. Men signaturerne var ikke særlig klare, en overraskelse i betragtning af hvor lys supernovaen var.

"Det er ikke lysere end tidligere supernovaer," sagde hovedforfatter Blanchard. "Det ser ret normalt ud i sammenhæng med andre supernovaer forbundet med mindre energiske GRB'er. Du kan forvente, at den samme kollapsende stjerne, der producerer en meget energisk og lysstærk GRB, også ville producere en meget energisk og lysstærk supernova. Men det viser sig, at det ikke er tilfældet . Vi har denne ekstremt lysende GRB, men en normal supernova."

At bekræfte tilstedeværelsen af ​​supernovaen var et stort skridt til at forstå GRB 221009A. Men manglen på en r-processignatur er stadig forvirrende.

Forskere har kun bekræftet r-processen i fusionen af ​​to neutronstjerner, kaldet en kilonovaeksplosion. Men der er for få neutronstjernefusioner til at forklare overfloden af ​​tunge grundstoffer.