Hellster Gammastrahlenausbruch aller Zeiten stellt Theorien zur Elementbildung in Frage

Künstlerische Darstellung von GRB 221009A, die die schmalen relativistischen Jets zeigt - die aus einem zentralen schwarzen Loch hervorgehen - die zur GRB geführt haben und die sich ausdehnenden Überreste des ursprünglichen Sterns, die bei der Supernova-Explosion ausgestoßen wurden. Mit dem James Webb-Weltraumteleskop entdeckte der Postdoktorand der Northwestern University, Peter Blanchard, und sein Team zum ersten Mal die Supernova und bestätigte, dass GRB 221009A das Ergebnis des Zusammenbruchs eines massereichen Sterns war. Die Co-Autoren der Studie fanden auch heraus, dass das Ereignis in einer dichten sternbildenden Region seiner Wirtsgalaxie stattfand, wie die Hintergrundnebel darstellen. Bildnachweis: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

Im Oktober 2022 beobachtete ein internationales Forscherteam, darunter Astrophysiker der Northwestern University, die hellste jemals aufgezeichnete Gamma-Ray-Burst (GRB), GRB 221009A.

Nun hat ein Team unter der Leitung der Northwestern University bestätigt, dass das Phänomen, das für die historische Explosion verantwortlich ist, das sogenannte B.O.A.T. ("hellste aller Zeiten") - der Einsturz und die anschließende Explosion eines massereichen Sterns sind. Das Team entdeckte die Explosion oder Supernova mit dem James Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA.

Während diese Entdeckung ein Rätsel löst, vertieft sich ein anderes.

Die Forscher spekulierten, dass Beweise für schwere Elemente wie Platin und Gold in der neu entdeckten Supernova existieren könnten. Die umfangreiche Suche ergab jedoch nicht die Unterschrift, die solchen Elementen entspricht. Der Ursprung schwerer Elemente im Universum bleibt eine der größten offenen Fragen in der Astronomie.

Die Forschung wurde am 12. April in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

"Als wir bestätigt haben, dass die GRB durch den Zusammenbruch eines massereichen Sterns erzeugt wurde, gab uns das die Möglichkeit, eine Hypothese zu testen, wie einige der schwersten Elemente im Universum entstehen", sagte Peter Blanchard von der Northwestern University, der die Studie leitete. "Wir haben keine Signaturen dieser schweren Elemente gesehen, was darauf hindeutet, dass extrem energetische GRBs wie das B.O.A.T. diese Elemente nicht erzeugen. Das bedeutet nicht, dass alle GRBs sie nicht erzeugen, aber es ist ein wichtiger Informationsteil, während wir weiterhin verstehen, woher diese schweren Elemente kommen. Zukünftige Beobachtungen mit dem JWST werden bestimmen, ob die 'normalen' Cousins des B.O.A.T. diese Elemente erzeugen."

Blanchard ist Postdoktorand am Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) der Northwestern University, wo er superleuchtende Supernovae und GRBs untersucht. Die Studie umfasst Co-Autoren vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian; Universität von Utah; Penn State; Universität von Kalifornien, Berkeley; Radbound Universität in den Niederlanden; Space Telescope Science Institute; University of Arizona/Steward Observatory; Universität von Kalifornien, Santa Barbara; Columbia University; Flatiron Institute; Universität Greifswald und die Universität von Guelph.

"Dieses Ereignis ist besonders aufregend, weil einige vermutet hatten, dass eine leuchtende Gammastrahlenexplosion wie das B.O.A.T. viele schwere Elemente wie Gold und Platin erzeugen könnte", sagte die zweite Autorin Ashley Villar von der Harvard University und dem Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. "Wenn sie richtig lagen, sollte das B.O.A.T. eine Goldmine gewesen sein. Es ist wirklich bemerkenswert, dass wir keine Beweise für diese schweren Elemente gesehen haben."

Als ihr Licht am 9. Oktober 2022 die Erde überflutete, war das B.O.A.T. so hell, dass es die meisten Gammastrahlendetektoren der Welt gesättigt hat. Die kraftvolle Explosion ereignete sich ungefähr 2 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, in Richtung des Sternbilds Sagitta, und dauerte ein paar hundert Sekunden. Als die Astronomen daran arbeiteten, den Ursprung dieses unglaublich hellen Phänomens zu beobachten, waren sie sofort von Ehrfurcht ergriffen.

"Solange wir in der Lage waren, GRBs zu erkennen, steht außer Frage, dass dieser GRB der hellste ist, den wir jemals um das Zehnfache oder mehr gesehen haben", sagte Wen-fai Fong, eine außerordentliche Professorin für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University und Mitglied der CIERA.

"Das Ereignis erzeugte einige der energiereichsten Photonen, die jemals von Satelliten aufgezeichnet wurden, die dazu bestimmt waren, Gammastrahlen zu erkennen", sagte Blanchard. "Dies war ein Ereignis, das die Erde nur einmal alle 10.000 Jahre sieht. Wir haben das Glück, in einer Zeit zu leben, in der wir über die Technologie verfügen, um diese Ausbrüche im ganzen Universum zu erkennen. Es ist so aufregend, solch ein seltenes astronomisches Phänomen wie das B.O.A.T. zu beobachten und die Physik hinter diesem außergewöhnlichen Ereignis zu verstehen."

Anstatt das Ereignis sofort zu beobachten, wollten Blanchard, Villar und ihr Team die GRB in ihren späteren Phasen betrachten. Etwa sechs Monate nachdem die GRB ursprünglich erkannt wurde, benutzten Blanchard und Villar das JWST, um ihre Folgen zu untersuchen.

„Der GRB war so hell, dass er jegliche potentielle Signatur einer Supernova in den ersten Wochen und Monaten nach dem Ausbruch verdeckte", sagte Blanchard. „In diesen Zeiten war das sogenannte Nachglühen des GRB wie die Scheinwerfer eines auf uns zukommenden Autos, die das eigentliche Auto unerkennbar machen. Wir mussten also warten, bis es deutlich nachließ, um uns die Chance zu geben, die Supernova zu sehen."

„Wir hatten Glück, dass JWST gerade gestartet war und diese Beobachtungen durchführen konnte", sagte Villar. „Die Milchstraße lag gerade vor der B.O.A.T, und ihr Staub blockierte das gesamte blaue Licht, das wir normalerweise sehen würden. Die JWST kann direkt durch diesen Staub hindurchsehen und gibt uns einen wirklich unglaublichen Blick ins Infrarote."

Das Team nutzte das Nahe-Infrarot-Spektrograph von JWST, um die charakteristische Signatur von Elementen wie Kalzium und Sauerstoff zu entdecken, die typischerweise in einer Supernova vorkommen. Überraschenderweise war sie nicht außergewöhnlich hell - wie der unglaublich helle GRB, den sie begleitete.

„Sie ist nicht heller als bisherige Supernovae", sagte Blanchard. „Sie sieht im Kontext anderer Supernovae, die mit weniger energiereichen GRBs verbunden sind, ziemlich normal aus. Man könnte erwarten, dass derselbe kollabierende Stern, der einen sehr energiereichen und hellen GRB erzeugt, auch eine sehr energiereiche und helle Supernova erzeugt. Aber wie sich herausstellte, ist das nicht der Fall. Wir haben diesen extrem leuchtkräftigen GRB, aber eine normale Supernova."

Nachdem sie zum ersten Mal die Existenz der Supernova bestätigt hatten, suchten Blanchard und seine Mitarbeiter dann nach Beweisen für schwere Elemente darin. Derzeit haben Astrophysiker noch kein vollständiges Bild von allen Mechanismen im Universum, die Elemente schwerer als Eisen erzeugen können.

Der Hauptmechanismus zur Erzeugung schwerer Elemente, der Prozess der schnellen Neutroneneinfang, erfordert eine hohe Konzentration von Neutronen. Bisher haben Astrophysiker nur die Produktion von schweren Elementen durch diesen Prozess bei der Verschmelzung von zwei Neutronensternen bestätigt, eine Kollision, die vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) im Jahr 2017 entdeckt wurde. Aber Wissenschaftler sagen, es muss auch andere Wege geben, diese schwer zu fassenden Materialien zu produzieren. Es gibt einfach zu viele schwere Elemente im Universum und zu wenige Neutronenstern-Verschmelzungen.

„Es gibt wahrscheinlich eine andere Quelle", sagte Blanchard. „Es dauert sehr lange, bis sich zwei Neutronensterne in einem Doppelsystem vereinigen. Zwei Sterne in einem Doppelsystem müssen zuerst explodieren, um Neutronensterne zu hinterlassen. Dann kann es Milliarden und Abermilliarden von Jahren dauern, bis die beiden Neutronensterne langsam näher kommen und schließlich verschmelzen. Aber Beobachtungen von sehr alten Sternen zeigen, dass Teile des Universums mit Schwermetallen angereichert waren, bevor die meisten Doppelsysteme von Neutronensternen Zeit zur Verschmelzung gehabt hätten. Das deutet auf einen alternativen Kanal hin."

„Wir haben das Glück, in einer Zeit zu leben, in der wir die Technologie haben, diese Ausbrüche im gesamten Universum zu erkennen." - Peter Blanchard, CIERA Postdoc-Stipendiat

Astrophysiker haben die Hypothese aufgestellt, dass schwere Elemente auch durch den Kollaps eines sich schnell drehenden, massereichen Sterns erzeugt werden könnten - genau der Typ von Stern, der das B.O.A.T erzeugt hat. Mit dem vom JWST erhaltenen Infrarotspektrum untersuchte Blanchard die inneren Schichten der Supernova, in denen die schweren Elemente gebildet werden sollten.

„Das explodierte Material des Sterns ist in den frühen Zeiten undurchsichtig, so dass man nur die äußeren Schichten sehen kann", sagte Blanchard. „Aber sobald es sich ausdehnt und abkühlt, wird es transparent. Dann kann man die Photonen sehen, die von der inneren Schicht der Supernova kommen."

„Darüber hinaus absorbieren und emittieren verschiedene Elemente Photonen bei unterschiedlichen Wellenlängen, abhängig von ihrer atomaren Struktur, wodurch jedes Element eine einzigartige spektrale Signatur erhält", erklärte Blanchard. „Daher kann uns das Anschauen des Spektrums eines Objekts sagen, welche Elemente vorhanden sind. Als wir das Spektrum des B.O.A.T untersuchten, sahen wir keine Signatur von schweren Elementen, was darauf hindeutet, dass extreme Ereignisse wie GRB 221009A keine primären Quellen sind. Das ist entscheidende Information, da wir weiterhin versuchen, den Ort der Entstehung der schwersten Elemente zu bestimmen."

Um das Licht der Supernova von dem hellen Nachglühen zu trennen, das ihr vorausging, verglichen die Forscher die JWST-Daten mit Beobachtungen aus der Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chile.

„Selbst mehrere Monate nachdem der Ausbruch entdeckt wurde, war das Nachglühen hell genug, um viel Licht im JWST-Spektrum zu erzeugen", sagte Tanmoy Laskar, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Universität von Utah und Mitautor der Studie. „Durch die Kombination von Daten aus den beiden Teleskopen konnten wir genau messen, wie hell das Nachglühen zum Zeitpunkt unserer JWST-Beobachtungen war und es uns ermöglichen, das Spektrum der Supernova sorgfältig zu extrahieren."

Although astrophysicists have yet to uncover how a “normal” supernova and a record-breaking GRB were produced by the same collapsed star, Laskar said it might be related to the shape and structure of the relativistic jets. When rapidly spinning, massive stars collapse into black holes, they produce jets of material that launch at rates close to the speed of light. If these jets are narrow, they produce a more focused — and brighter — beam of light.

“It’s like focusing a flashlight’s beam into a narrow column, as opposed to a broad beam that washes across a whole wall,” Laskar said. “In fact, this was one of the narrowest jets seen for a gamma-ray burst so far, which gives us a hint as to why the afterglow appeared as bright as it did. There may be other factors responsible as well, a question that researchers will be studying for years to come.”

Additional clues also may come from future studies of the galaxy in which the B.O.A.T. occurred. “In addition to a spectrum of the B.O.A.T. itself, we also obtained a spectrum of its ‘host’ galaxy,” Blanchard said. “The spectrum shows signs of star formation, hinting that the birth environment of the original star may be different than previous events.”

Team member Yijia Li, a graduate student at Penn State, modeled the spectrum of the galaxy, finding that the B.O.A.T.’s host galaxy has the lowest metallicity, a measure of the abundance of elements heavier than hydrogen and helium, of all previous GRB host galaxies.

“This is another unique aspect of the B.O.A.T. that may help explain its properties,” Li said. “The energy released in the B.O.A.T. was completely off the charts, one of the most energetic events humans have ever seen. The fact that it also appears to be born out of near-primordial gas may be an important clue to understanding its superlative properties.”

Reference: “JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature” by Peter K. Blanchard, V. Ashley Villar, Ryan Chornock, Tanmoy Laskar, Yijia Li, Joel Leja, Justin Pierel, Edo Berger, Raffaella Margutti, Kate D. Alexander, Jennifer Barnes, Yvette Cendes, Tarraneh Eftekhari, Daniel Kasen, Natalie LeBaron, Brian D. Metzger, James Muzerolle Page, Armin Rest, Huei Sears, Daniel M. Siegel and S. Karthik Yadavalli, 12 April 2024, Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-024-02237-4

The study, “JWST detection of a supernova associated with GRB 221009A without an r-process signature,” was supported by NASA (award number JWST-GO-2784) and the National Science Foundation (award numbers AST-2108676 and AST-2002577). This work is based on observations made with the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope.