Il Gamma-Ray Burst più luminoso di tutti i tempi sfida le teorie sulla formazione degli elementi

Visualizzazione dell'artista di GRB 221009A che mostra i getti relativistici ristretti - che emergono da un buco nero centrale - che hanno dato origine al GRB e ai resti in espansione della stella originale espulsi tramite l'esplosione di supernova. Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, il ricercatore post-dottorato della Northwestern University, Peter Blanchard e la sua squadra hanno rilevato la supernova per la prima volta, confermando che GRB 221009A era il risultato del collasso di una stella massiccia. I coautori dello studio hanno anche scoperto che l'evento si è verificato in una densa regione di formazione stellare della sua galassia ospite, come illustrato dalla nebulosa di sfondo. Credit: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA/ IT Research Computing and Data Services

Nell'ottobre 2022, un team internazionale di ricercatori, tra cui astrofisici della Northwestern University, ha osservato il più luminoso lampo di raggi gamma (GRB) mai registrato, GRB 221009A.

Ora, un team guidato dalla Northwestern ha confermato che il fenomeno responsabile del lampo storico - soprannominato B.O.A.T. ("il più luminoso di tutti i tempi") - è il collasso e la successiva esplosione di una stella massiccia. Il team ha scoperto l'esplosione, o supernova, utilizzando il telescopio spaziale James Webb (JWST) della NASA.

Sebbene questa scoperta risolva un mistero, un altro mistero si approfondisce.

I ricercatori hanno ipotizzato che le prove di elementi pesanti, come platino e oro, potrebbero risiedere all'interno della supernova appena scoperta. L'ampia ricerca, tuttavia, non ha trovato la firma che accompagna tali elementi. L'origine degli elementi pesanti nell'universo continua a rimanere una delle più grandi domande aperte dell'astronomia.

La ricerca è stata pubblicata il 12 aprile sulla rivista Nature Astronomy.

"Quando abbiamo confermato che il GRB era generato dal collasso di una stella massiccia, ciò ci ha dato l'opportunità di testare un'ipotesi su come si formano alcuni degli elementi più pesanti dell'universo", ha detto Peter Blanchard della Northwestern, che ha guidato lo studio. "Non abbiamo visto le firme di questi elementi pesanti, il che suggerisce che GRB estremamente energetici come il B.O.A.T. non producono questi elementi. Non significa che tutti i GRB non li producano, ma è un'informazione chiave mentre continuiamo a capire da dove provengono questi elementi pesanti. Le future osservazioni con JWST determineranno se i 'normali' cugini del B.O.A.T. producono questi elementi."

Blanchard è un ricercatore post-dottorato presso il Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) della Northwestern, dove studia le supernovae super luminose e i GRB. Lo studio include coautori provenienti dal Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian; Università dello Utah; Penn State; University of California, Berkeley; Radbound University nei Paesi Bassi; Space Telescope Science Institute; University of Arizona/Steward Observatory; Università della California, Santa Barbara; Columbia University; Flatiron Institute; University of Greifswald e l'University of Guelph.

"Questo evento è particolarmente eccitante perché alcuni avevano ipotizzato che un lampo di raggi gamma luminoso come il B.O.A.T. potrebbe produrre molti elementi pesanti come l'oro e il platino", ha detto la seconda autrice Ashley Villar dell'Università di Harvard e del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. "Se avessero ragione, il B.O.A.T. avrebbe dovuto essere una miniera d'oro. È davvero sorprendente che non abbiamo visto alcuna prova di questi elementi pesanti."

Quando la sua luce ha lambito la Terra il 9 ottobre 2022, il B.O.A.T. era così luminoso da saturare la maggior parte dei rilevatori di raggi gamma del mondo. La potente esplosione è avvenuta a circa 2 miliardi di anni luce dalla Terra, nella direzione della costellazione della Saetta e ha avuto una durata di qualche centinaio di secondi. Mentre gli astronomi si affrettavano ad osservare l'origine di questo fenomeno incredibilmente luminoso, rimanevano subito colpiti da un senso di meraviglia.

"Da quando siamo stati in grado di rilevare i GRB, non c'è dubbio che questo GRB sia il più luminoso che abbiamo mai visto, superando di almeno 10 volte gli altri", ha detto all'epoca Wen-fai Fong, professore associato di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro del CIERA.

"L'evento ha prodotto alcuni dei fotoni ad alta energia mai registrati da satelliti progettati per rilevare i raggi gamma", ha detto Blanchard. "Questo è stato un evento che la Terra vede solo una volta ogni 10.000 anni. Siamo fortunati a vivere in un periodo in cui abbiamo la tecnologia per rilevare questi scoppio che si verificano in tutto l'universo. È entusiasmante osservare un fenomeno astronomico così raro come il B.O.A.T. e lavorare per capire la fisica dietro questo evento eccezionale."

Invece di osservare immediatamente l'evento, Blanchard, Villar e il loro team hanno voluto vedere il GRB durante le sue fasi successive. Circa sei mesi dopo la rilevazione iniziale del GRB, Blanchard e Villar hanno utilizzato il JWST per esaminare le sue conseguenze.

"Il GRB era così luminoso da oscurare qualsiasi potenziale firma di supernova nelle prime settimane e mesi dopo la raffica", ha detto Blanchard. "In questi momenti, il cosiddetto afterglow del GRB era come i fari di un'auto che viene dritta verso di te, impedendoti di vedere l'auto stessa. Quindi, abbiamo dovuto aspettare che svanisse in modo significativo per darci la possibilità di vedere la supernova."

"Siamo stati fortunati che il JWST fosse appena lanciato e potesse condurre queste osservazioni", ha detto Villar. "La Via Lattea si trovava davanti al B.O.A.T., e la sua polvere bloccava tutta la luce blu che vedremmo normalmente. JWST può guardare proprio attraverso questa polvere e darci uno sguardo davvero incredibile nell'infrarosso."

Il team ha utilizzato lo spettrografo infrarosso vicino del JWST per scoprire la caratteristica firma di elementi come il calcio e l'ossigeno tipicamente presenti in una supernova. Sorprendentemente, non era eccezionalmente luminoso, come l'incredibilmente luminoso GRB che lo accompagnava.

"Non è più brillante delle precedenti supernovae", ha detto Blanchard. "Sembra abbastanza normale nel contesto di altre supernovae associate a GRB meno energetici. Potresti aspettarti che la stessa stella in crollo che produce un GRB molto energetico e luminoso produca anche una supernova molto energetica e luminosa. Ma si scopre che non è così. Abbiamo questo GRB estremamente luminoso, ma una supernova normale."

Dopo aver confermato, per la prima volta, la presenza della supernova, Blanchard e i suoi collaboratori hanno cercato prove di elementi pesanti al suo interno. Attualmente, gli astrofisici hanno un quadro incompleto di tutti i meccanismi nell'universo che possono produrre elementi più pesanti del ferro.

Il meccanismo primario per produrre elementi pesanti, il processo di cattura rapida dei neutroni, richiede una alta concentrazione di neutroni. Fino ad ora, gli astrofisici hanno solo confermato la produzione di elementi pesanti attraverso questo processo nella fusione di due stelle di neutroni, una collisione rilevata dall'Osservatorio delle Onde Gravitazionali con Interferometro Laser (LIGO) nel 2017. Ma gli scienziati dicono che ci devono essere altri modi per produrre questi materiali illusivi. Ci sono semplicemente troppi elementi pesanti nell'universo e troppo poche fusioni di stelle di neutroni.

"Probabilmente c'è un'altra fonte", ha detto Blanchard. "Ci vuole molto tempo perché le stelle di neutroni binarie si uniscano. Due stelle in un sistema binario devono prima esplodere per lasciare dietro di sé stelle di neutroni. Quindi, possono volerci miliardi e miliardi di anni perché le due stelle di neutroni si avvicinino lentamente e alla fine si uniscano. Ma le osservazioni di stelle molto vecchie indicano che parti dell'universo erano arricchite di metalli pesanti prima che la maggior parte delle stelle di neutroni binarie avesse avuto il tempo di unirsi. Questo ci indirizza verso un canale alternativo."

"Siamo fortunati a vivere in un'epoca in cui abbiamo la tecnologia per rilevare queste esplosioni che accadono in tutto l'universo." - Peter Blanchard, CIERA Postdoctoral Fellow

Gli astrofisici hanno ipotizzato che gli elementi pesanti potrebbero anche essere prodotti dal collasso di una stella massiccia in rapida rotazione, esattamente il tipo di stella che ha generato il B.O.A.T. Utilizzando lo spettro infrarosso ottenuto dal JWST, Blanchard ha studiato gli strati interni della supernova, dove dovrebbero essere formati gli elementi pesanti.

"Il materiale esploso della stella è opaco nei primi tempi, quindi puoi vedere solo gli strati esterni", ha detto Blanchard. "Ma una volta che si espande e si raffredda, diventa trasparente. Allora puoi vedere i fotoni provenire dallo strato interno della supernova."

"Inoltre, diversi elementi assorbono ed emettono fotoni a diverse lunghezze d'onda, a seconda della loro struttura atomica, dando a ciascun elemento una firma spettrale unica", ha spiegato Blanchard. "Pertanto, guardando lo spettro di un oggetto possiamo capire quali elementi sono presenti. Esaminando lo spettro del B.O.A.T., non abbiamo visto nessuna firma di elementi pesanti, il che suggerisce che eventi estremi come il GRB 221009A non sono fonti primarie. Questa è un'informazione cruciale mentre continuiamo a cercare di capire dove si formano gli elementi più pesanti."

Per separare la luce della supernova da quella dell'afterglow luminoso che la precedeva, i ricercatori hanno abbinato i dati del JWST con osservazioni dall' Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Cile.

"Anche parecchi mesi dopo che la raffica era stata scoperta, l'afterglow era abbastanza luminoso da contribuire a molta luce negli spettri del JWST", ha detto Tanmoy Laskar, assistente professore di fisica e astronomia all'Università dell'Utah e co-autore dello studio. "Combinando i dati dei due telescopi, siamo riusciti a misurare esattamente quanto fosse luminoso l'afterglow al momento delle nostre osservazioni JWST e questo ci ha permesso di estrarre attentamente lo spettro della 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.