El Destello de Rayos Gamma más Brillante de Todos los Tiempos Desafía las Teorías de Formación de Elementos

Visualización del artista de GRB 221009A mostrando los estrechos chorros relativistas, que emergen de un agujero negro central, que dieron lugar al GRB y los restos en expansión de la estrella original expulsados a través de la explosión de la supernova. Utilizando el Telescopio Espacial James Webb, el becario posdoctoral de la Universidad del Noroeste, Peter Blanchard, y su equipo detectaron la supernova por primera vez, confirmando que GRB 221009A fue el resultado del colapso de una estrella masiva. Los coautores del estudio también descubrieron que el evento ocurrió en una densa región de formación de estrellas de su galaxia anfitriona, como se muestra en la nebulosa de fondo. Crédito: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

En octubre de 2022, un equipo internacional de investigadores, incluyendo astrofísicos de la Universidad del Noroeste, observó la ráfaga de rayos gamma (GRB) más brillante jamás registrada, GRB 221009A.

Ahora, un equipo dirigido por el Noroeste ha confirmado que el fenómeno responsable de la explosión histórica, apodado "B.O.A.T." ("el más brillante de todos los tiempos"), es el colapso y la subsiguiente explosión de una estrella masiva. El equipo descubrió la explosión, o supernova, utilizando el Telescopio Espacial James Webb de la NASA.

Mientras que este descubrimiento resuelve un misterio, otro misterio se profundiza.

Los investigadores especularon que los restos de la nueva supernova podrían contener indicios de elementos pesados, como el platino y el oro. Sin embargo, en la extensa búsqueda no se encontró la firma que acompaña a estos elementos. El origen de los elementos pesados en el universo continúa siendo una de las cuestiones más grandes y abiertas de la astronomía.

La investigación fue publicada el 12 de abril en la revista Nature Astronomy.

"Cuando confirmamos que el GRB fue generado por el colapso de una estrella masiva, eso nos dio la oportunidad de probar una hipótesis de cómo se forman algunos de los elementos más pesados del universo", dijo Peter Blanchard, líder del estudio. "No vimos firmas de estos elementos pesados, lo que sugiere que los GRBs extremadamente energéticos como el B.O.A.T. no producen estos elementos. Eso no significa que todos los GRBs no los produzcan, pero es una pieza clave de información a medida que seguimos comprendiendo de dónde vienen estos elementos pesados. Las observaciones futuras con JWST determinarán si los 'primos normales' del B.O.A.T. producen estos elementos."

Blanchard es un becario posdoctoral en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de la Universidad del Noroeste.

“Este evento es particularmente emocionante porque algunos habían planteado la hipótesis de que una ráfaga de rayos gamma luminosa como el B.O.A.T. podría producir muchos elementos pesados como el oro y el platino”, dijo el segundo autor Ashley Villar. "Es realmente sorprendente que no viéramos ninguna evidencia de estos elementos pesados".

Cuando su luz bañó la Tierra el 9 de octubre de 2022, el B.O.A.T. era tan brillante que saturó la mayoría de los detectores de rayos gamma del mundo.

“Mientras hayamos podido detectar GRB, no cabe duda de que este GRB es el más brillante que jamás hayamos presenciado, por un factor de 10 o más”, dijo en ese momento Wen-fai Fong.

"El evento produjo algunos de los fotones de energía más alta jamás registrados por satélites diseñados para detectar rayos gamma", dijo Blanchard. “Este fue un evento que la Tierra ve solo una vez cada 10 000 años. Somos afortunados de vivir en una época en la que tenemos la tecnología para detectar estas explosiones que ocurren en todo el universo. Es muy emocionante observar un fenómeno astronómico tan raro como el B.O.A.T. y trabajar para comprender la física detrás de este evento excepcional”.

Más que observar el evento de inmediato, Blanchard, Villar y su equipo querían ver el GRB durante sus fases posteriores. Unos seis meses después de que se detectara inicialmente el GRB, Blanchard y Villar utilizaron el JWST para examinar sus secuelas.

"El GRB fue tan brillante que oscureció cualquier posible señal de supernova en las primeras semanas y meses después de la explosión", dijo Blanchard. "En esos momentos, la llamada postluminiscencia del GRB era como las luces de un coche que vienen directamente hacia ti, impidiéndote ver el coche en sí. Entonces, tuvimos que esperar a que se desvaneciera significativamente para darnos una oportunidad de ver la supernova".

"Tuvimos suerte de que el JWST se había lanzado recientemente y pudo realizar estas observaciones", dijo Villar. "La Vía Láctea estaba situada delante de B.O.A.T., y su polvo bloqueaba toda la luz azul que normalmente veríamos. El JWST puede mirar a través de este polvo y darnos una increíble visión en el infrarrojo".

El equipo utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano del JWST para descubrir la característica firma de elementos como el calcio y el oxígeno que normalmente se encuentran en una supernova. Sorprendentemente, no era excepcionalmente brillante, como el increíblemente brillante GRB que lo acompañaba.

"No es más brillante que las supernovas anteriores", dijo Blanchard. "Se ve bastante normal en el contexto de otras supernovas asociadas con GRBs menos energéticos. Podría esperarse que la misma estrella colapsante que produce un GRB muy energético y brillante, también produzca una supernova muy energética y brillante. Pero resulta que no es el caso. Tenemos este GRB extremadamente luminoso, pero una supernova normal".

Después de confirmar, por primera vez, la presencia de la supernova, Blanchard y sus colaboradores buscaron evidencia de elementos pesados dentro de ella. Actualmente, los astrofísicos tienen una imagen incompleta de todos los mecanismos en el universo que pueden producir elementos más pesados que el hierro.

El mecanismo principal para producir elementos pesados, el proceso de captura rápida de neutrones, requiere una alta concentración de neutrones. Hasta ahora, los astrofísicos solo han confirmado la producción de elementos pesados a través de este proceso en la fusión de dos estrellas de neutrones, una colisión detectada por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) en 2017. Pero los científicos dicen que debe haber otras formas de producir estos esquivos materiales. Simplemente hay demasiados elementos pesados en el universo y muy pocas fusiones de estrellas de neutrones.

"Probablemente haya otra fuente", dijo Blanchard. "Lleva mucho tiempo que las estrellas de neutrones binarias se fusionen. Dos estrellas en un sistema binario primero tienen que explotar para dejar atrás estrellas de neutrones. Luego, pueden pasar miles de millones de años para que las dos estrellas de neutrones se acerquen lentamente y finalmente se fusionen. Pero las observaciones de estrellas muy antiguas indican que partes del universo se enriquecieron con metales pesados antes de que la mayoría de las estrellas de neutrones binarias hubieran tenido tiempo de fusionarse. Eso nos apunta a un canal alternativo".

"Somos afortunados de vivir en una época en la que tenemos la tecnología para detectar estas explosiones que ocurren en todo el universo". - Peter Blanchard, Becario postdoctoral del CIERA

Los astrofísicos han hipotetizado que los elementos pesados también podrían ser producidos por el colapso de una estrella masiva de rotación rápida, el mismo tipo de estrella que generó el B.O.A.T. Usando el espectro infrarrojo obtenido por el JWST, Blanchard estudió las capas internas de la supernova, donde deberían formarse los elementos pesados.

"El material explotado de la estrella es opaco en los primeros momentos, por lo que solo puedes ver las capas externas", dijo Blanchard. "Pero una vez que se expande y se enfría, se vuelve transparente. Entonces puedes ver los fotones que vienen de la capa interna de la supernova".

"Además, diferentes elementos absorben y emiten fotones a diferentes longitudes de onda, dependiendo de su estructura atómica, dándole a cada elemento una firma espectral única", explicó Blanchard. "Por lo tanto, mirar el espectro de un objeto puede decirnos qué elementos están presentes. Al examinar el espectro del B.O.A.T., no vimos ninguna firma de elementos pesados, lo que sugiere que eventos extremos como el GRB 221009A no son fuentes primarias. Esta es información crucial mientras seguimos intentando determinar dónde se forman los elementos más pesados".

Para separar la luz de la supernova de la brillante postluminiscencia que la precedió, los investigadores combinaron los datos del JWST con observaciones del Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) en Chile.

"Incluso varios meses después de que se descubrió el estallido, la postluminiscencia era lo suficientemente brillante como para contribuir con mucha luz en los espectros del JWST", dijo Tanmoy Laskar, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. "Combinar datos de los dos telescopios nos ayudó a medir exactamente cuán brillante era la postluminiscencia en el momento de nuestras observaciones del JWST y nos permitió extraer cuidadosamente el espectro de la supernova".

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.