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.
"Der er sandsynligvis en anden kilde," sagde Blanchard. "Det tager meget lang tid for binære neutronstjerner at smelte sammen. To stjerner i et binært system skal først eksplodere for at efterlade neutronstjerner. Derefter kan det tage milliarder og milliarder af år for de to neutronstjerner langsomt at komme tættere på og tættere og endelig smelter sammen Men observationer af meget gamle stjerner tyder på, at dele af universet blev beriget med tungmetaller, før de fleste binære neutronstjerner ville have haft tid til at smelte sammen."
Forskere har spekuleret på, om lysende supernovaer som denne kan stå for resten. Supernovaer har et indre lag, hvor flere tunge grundstoffer kan syntetiseres. Men det lag er sløret. Først når tingene er faldet til ro, er det indre lag synligt.
"Stjernens eksploderede materiale er uigennemsigtigt på et tidligt tidspunkt, så du kan kun se de ydre lag," sagde Blanchard. "Men når det udvider sig og afkøles, bliver det gennemsigtigt. Så kan du se fotonerne komme fra supernovaens indre lag."
Alle elementer har spektroskopiske signaturer, og JWST's NIRSpec er et meget dygtigt instrument. Men den kunne ikke detektere tungere grundstoffer, selv i supernovaens indre lag.
"Efter at have undersøgt B.O.A.T."-spektret så vi ingen signatur af tunge elementer, hvilket tyder på, at ekstreme begivenheder som GRB 221009A ikke er primære kilder," sagde hovedforfatter Blanshard. "Dette er afgørende information, mens vi fortsætter med at forsøge at finde ud af, hvor de tungeste grundstoffer dannes."
Forskere er stadig usikre på GRB og dens mangel på tunge elementer. Men der er en anden funktion, der kan give et fingerpeg:jetfly.
"Et andet foreslået sted for r-processen er i hurtigt roterende kerner af massive stjerner, der kollapser i et tiltagende sort hul, hvilket producerer lignende forhold som eftervirkningerne af en BNS-fusion," skriver forfatterne i deres papir. "Teoretiske simuleringer tyder på, at udstrømning af tilvækstskiver i disse såkaldte 'kollapsarer' kan nå den neutronrige tilstand, der kræves for at r-processen kan forekomme."
Udstrømningen af tilvækstskiven, som forskerne henviser til, er relativistiske jetfly. Jo smallere jetflyene er, jo lysere og mere fokuseret er deres energi.
"Det er som at fokusere en lommelygtes stråle i en smal søjle, i modsætning til en bred stråle, der skyller hen over en hel væg," sagde Laskar. "Faktisk var dette et af de smalleste jetfly, der hidtil er set for et gamma-stråleudbrud, hvilket giver os et hint om, hvorfor eftergløden fremstod så lys, som den gjorde. Der kan også være andre faktorer, der er ansvarlige, et spørgsmål, der forskere vil studere i de kommende år."
Forskerne brugte også NIRSpec til at indsamle et spektrum fra GRB's værtsgalakse. Den har den laveste metallicitet af enhver galakse, der er kendt for at være vært for en GRB. Kan det være en faktor?
"Dette er et af de laveste metallicitetsmiljøer af enhver LGRB, som er en klasse af objekter, der foretrækker lavmetallicitetsgalakser, og det er, så vidt vi ved, det laveste metallicitetsmiljø af en GRB-SN til dato," skriver forfatterne. i deres forskning. "Dette kan tyde på, at meget lav metallicitet er påkrævet for at producere en meget energisk GRB."
"Spektret viser tegn på stjernedannelse, hvilket antyder, at fødselsmiljøet for den oprindelige stjerne kan være anderledes end tidligere begivenheder," sagde Blanshard.
Yijia Li er en kandidatstuderende ved Penn State og medforfatter til papiret. "Dette er et andet unikt aspekt af B.O.A.T., der kan hjælpe med at forklare dens egenskaber," sagde Li. "Den energi, der blev frigivet i B.O.A.T. var helt ude af hitlisterne, en af de mest energiske begivenheder, mennesker nogensinde har set. Det faktum, at det også ser ud til at være født ud af næsten urgas, kan være et vigtigt fingerpeg for at forstå dens superlative egenskaber. "
Dette er endnu et tilfælde, hvor løsning af et mysterium fører til et andet ubesvaret. JWST blev lanceret for at besvare nogle af vores grundlæggende spørgsmål om universet. Ved at bekræfte, at en supernova står bag den mest kraftfulde GRB, der nogensinde er fundet, har den gjort en del af sit arbejde.
Men den fandt også et andet mysterium og har ladet os hænge igen.
JWST fungerer efter hensigten.
Flere oplysninger: Peter K. Blanchard et al., JWST-detektion af en supernova forbundet med GRB 221009A uden en r-processignatur, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
Journaloplysninger: Naturastronomi
Leveret af Universe Today
Sidste artikelFormationsflyvende rumfartøjer kunne undersøge solsystemet for ny fysik
Næste artikelRubin-observatoriet vil afsløre mørke ting spøgelsesagtige forstyrrelser af stjernernes strømme