Forskere bekræfter, at det mest lysstærke gamma-stråleudbrud nogensinde kom fra kollapset af en massiv stjerne

I oktober 2022 observerede et internationalt team af forskere, herunder astrofysikere fra Northwestern University, det klareste gamma-ray burst (GRB) nogensinde registreret, GRB 221009A.

Nu har et Northwestern-ledet hold bekræftet, at fænomenet, der var ansvarlig for det historiske udbrud – døbt B.O.A.T. ("hele tidens lyseste") - er sammenbruddet og den efterfølgende eksplosion af en massiv stjerne. Holdet opdagede eksplosionen eller supernovaen ved hjælp af NASAs James Webb Space Telescope (JWST).

Mens denne opdagelse løser et mysterium, bliver et andet mysterium dybere.

Forskerne spekulerede i, at beviser for tunge grundstoffer, såsom platin og guld, kunne ligge i den nyligt afdækkede supernova. Den omfattende søgning fandt dog ikke signaturen, der ledsager sådanne elementer. Oprindelsen af ​​tunge grundstoffer i universet er fortsat et af astronomiens største åbne spørgsmål.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Astronomy .

"Da vi bekræftede, at GRB blev genereret ved 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 Northwesterns Peter Blanchard, der ledede undersøgelsen.

"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."

B.O.A.T.'s fødsel

Da dens lys skyllede ind over Jorden den 9. oktober 2022, blev B.O.A.T. var så lysstærk, at den mættede de fleste af verdens gammastråledetektorer. Den kraftige eksplosion fandt sted cirka 2,4 milliarder lysår væk fra Jorden i retning af stjernebilledet Sagitta og varede et par hundrede sekunder. Da astronomer forsøgte at observere oprindelsen af ​​dette utroligt klare fænomen, blev de straks ramt af en følelse af ærefrygt.

"Så længe vi har været i stand til at opdage GRB'er, er der ingen tvivl om, at denne GRB er den lyseste, vi nogensinde har set med en faktor på 10 eller mere," Wen-fai Fong, lektor i fysik og astronomi ved Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences og medlem af CIERA, sagde dengang.

"Begivenheden producerede nogle af de højeste energifotoner nogensinde optaget af satellitter designet til at detektere gammastråler," sagde Blanchard. "Dette var en begivenhed, som Jorden kun ser én gang hvert 10.000 år. Vi er heldige at leve i en tid, hvor vi har teknologien til at opdage disse udbrud, der sker på tværs af universet. Det er så spændende at observere et så sjældent astronomisk fænomen som B.O.A.T. og arbejde for at forstå fysikken bag denne usædvanlige begivenhed."

En 'normal' supernova

I stedet for at observere begivenheden med det samme, ønskede Blanchard, hans nære samarbejdspartner Ashley Villar fra Harvard University og deres team at se GRB i dens senere faser. Omkring seks måneder efter, at GRB'en oprindeligt blev opdaget, brugte Blanchard JWST til at undersøge dens eftervirkninger.

"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."

Blanchard brugte JWST's Near Infrared Spectrograph til at observere objektets lys ved infrarøde bølgelængder. Det var da han så den karakteristiske signatur af elementer som calcium og oxygen, der typisk findes i en supernova. Overraskende nok var det ikke usædvanligt lyst – som den utroligt lyse GRB, som det ledsagede.

"Det er ikke lysere end tidligere supernovaer," sagde 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."

Mangler:Tunge elementer

Efter at have bekræftet - for første gang - tilstedeværelsen af ​​supernovaen, søgte Blanchard og hans samarbejdspartnere derefter efter beviser for tunge elementer i den. I øjeblikket har astrofysikere et ufuldstændigt billede af alle de mekanismer i universet, der kan producere grundstoffer, der er tungere end jern.

Den primære mekanisme til fremstilling af tunge grundstoffer, den hurtige neutronfangstproces, kræver en høj koncentration af neutroner. Indtil videre har astrofysikere kun bekræftet produktionen af ​​tunge grundstoffer via denne proces i fusionen af ​​to neutronstjerner, en kollision opdaget af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i 2017.

Men videnskabsmænd siger, at der må være andre måder at fremstille disse undvigende materialer på. Der er simpelthen for mange tunge grundstoffer i universet og for få neutronstjernefusioner.

"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 til sidst flettes.

"Men observationer af meget gamle stjerner indikerer, at dele af universet blev beriget med tungmetaller, før de fleste binære neutronstjerner ville have haft tid til at smelte sammen. Det peger os på en alternativ kanal."

Astrofysikere har antaget, at tunge grundstoffer også kan blive produceret ved kollapset af en hurtigt roterende, massiv stjerne - den nøjagtige type stjerne, der genererede B.O.A.T. Ved hjælp af det infrarøde spektrum opnået af JWST studerede Blanchard de indre lag af supernovaen, hvor de tunge grundstoffer skulle dannes.

"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."

"Desuden absorberer og udsender forskellige elementer fotoner ved forskellige bølgelængder, afhængigt af deres atomare struktur, hvilket giver hvert element en unik spektral signatur," forklarede Blanchard. "Derfor kan se på et objekts spektrum fortælle os, hvilke elementer der er til stede. Ved at undersøge B.O.A.T.'s spektrum, så vi ingen signatur af tunge elementer, hvilket tyder på, at ekstreme begivenheder som GRB 221009A ikke er primære kilder. Dette er afgørende information som vi fortsætter med at forsøge at finde ud af, hvor de tungeste elementer er dannet."

Hvorfor så lyst?

For at skille lyset fra supernovaen fra lyset fra den lyse efterglød, der kom før den, parrede forskerne JWST-dataene med observationer fra Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) i Chile.

"Selv flere måneder efter eksplosionen blev opdaget, var eftergløden skarp nok til at bidrage med meget lys i JWST-spektrene," sagde Tanmoy Laskar, assisterende professor i fysik og astronomi ved University of Utah og medforfatter på studere.

"Kombinering af data fra de to teleskoper hjalp os med at måle nøjagtigt, hvor skarpt eftergløden var på tidspunktet for vores JWST-observationer og tillod os omhyggeligt at udtrække supernovaens spektrum."

Selvom astrofysikere endnu ikke har afsløret, hvordan en "normal" supernova og en rekordstor GRB blev produceret af den samme kollapsede stjerne, sagde Laskar, at det kunne være relateret til formen og strukturen af ​​de relativistiske jetfly. Når massive stjerner roterer hurtigt sammen i sorte huller, producerer de stråler af materiale, der starter med hastigheder tæt på lysets hastighed. Hvis disse stråler er smalle, producerer de en mere fokuseret – og lysere – lysstråle.

"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."

Yderligere spor kan også komme fra fremtidige undersøgelser af galaksen, hvor B.O.A.T. fandt sted. "Ud over et spektrum af B.O.A.T. selv, opnåede vi også et spektrum af dens 'værts' galakse," sagde Blanchard. "Spektret viser tegn på intens stjernedannelse, hvilket antyder, at den oprindelige stjernes fødselsmiljø kan være anderledes end tidligere begivenheder."

Teammedlem Yijia Li, en kandidatstuderende ved Penn State, modellerede galaksens spektrum og fandt ud af, at B.O.A.T.s værtsgalakse har den laveste metallicitet, et mål for overfloden af ​​grundstoffer, der er tungere end brint og helium, af alle tidligere GRB-værter galakser. "Dette er endnu et unikt aspekt af B.O.A.T., der kan hjælpe med at forklare dets egenskaber," sagde Li.

Dette arbejde er baseret på observationer foretaget med NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope.

Blanchard er postdoc ved Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), hvor han studerer superluminous supernovaer og GRB'er. Undersøgelsen omfatter medforfattere fra Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian; University of Utah; Penn State; University of California, Berkeley; Radbound University i Holland; Space Telescope Science Institute; University of Arizona/Steward Observatory; University of California, Santa Barbara; Columbia University; Flatiron Institute; University of Greifswald og University of Guelph.

Flere oplysninger: JWST-detektion af en supernova forbundet med GRB 221009A uden en r-processignatur', Naturastronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4

Journaloplysninger: Naturastronomi

Leveret af Northwestern University