Helderste Gamma-Ray Burst aller tijden daagt elementvormingstheorieën uit

De artistieke weergave van GRB 221009A toont de smalle relativistische stralen - die ontspruiten uit een centraal zwart gat - die aanleiding gaven tot de GRB en de uitzettende overblijfselen van de oorspronkelijke ster uitgestoten via de supernova-explosie. Met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop heeft postdoctoraal onderzoeker Peter Blanchard van de Northwestern University en zijn team de supernova voor het eerst gedetecteerd, waarmee werd bevestigd dat GRB 221009A het resultaat was van de ineenstorting van een massieve ster. De co-auteurs van de studie ontdekten ook dat de gebeurtenis plaatsvond in een dichte stervormende regio van het sterrenstelsel waar het toe behoort zoals weergegeven door de achtergrondnevel. Credit: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

In oktober 2022 observeerde een internationaal team van onderzoekers, waaronder astrofysici van de Northwestern University, de helderste gammaflits (GRB) ooit opgetekend, GRB 221009A.

Nu heeft een team onder leiding van Northwestern bevestigd dat het verschijnsel dat verantwoordelijk is voor de historische uitbarsting - de B.O.A.T. ("Brightest of all time") - de ineenstorting en daaropvolgende explosie van een massieve ster is. Het team ontdekte de explosie, of supernova, met behulp van de ruimtetelescoop van NASA, de James Webb Space Telescope (JWST).

Hoewel deze ontdekking één mysterie oplost, verdiept een ander mysterie zich.

De onderzoekers speculeerden dat er bewijs van zware elementen, zoals platina en goud, in de nieuw ontdekte supernova zou kunnen zijn. De uitgebreide zoektocht leverde echter niet het kenmerk op dat dergelijke elementen vergezelt. De oorsprong van zware elementen in het universum blijft een van de grootste open vragen in de astronomie.

Het onderzoek werd gepubliceerd op 12 april in het tijdschrift Nature Astronomy.

"Toen we bevestigden dat de GRB werd veroorzaakt door de instorting van een massieve ster, gaf dat ons de kans om een hypothese te testen over hoe sommige van de zwaarste elementen in het universum worden gevormd," zei Peter Blanchard van Northwestern, die de studie leidde. "We zagen geen kenmerken van deze zware elementen, wat suggereert dat extreem energieke GRB's zoals de B.O.A.T. deze elementen niet produceren. Dat betekent niet dat alle GRB's deze elementen niet produceren, maar het is een belangrijk stuk informatie als we proberen te begrijpen waar deze zware elementen vandaan komen. Toekomstige waarnemingen met de JWST zullen bepalen of de 'normale' neven van de B.O.A.T. deze elementen produceren."

Blanchard is een postdoctoraal onderzoeker bij het Northwestern's Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), waar hij onderzoek doet naar superlichte supernovae en GRB's. De studie bevat co-auteurs van het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian; University of Utah; Penn State; University of California, Berkeley; Radboud Universiteit in Nederland; Space Telescope Science Institute; Universiteit van Arizona/Steward Observatorium; Universiteit van Californië, Santa Barbara; Columbia University; Flatiron Institute; Universiteit van Greifswald en de Universiteit van Guelph.

"Dit evenement is bijzonder spannend omdat sommigen hadden geopperd dat een lichtgevende gammaflits zoals de B.O.A.T. veel zware elementen zoals goud en platina zou kunnen maken," zei de tweede auteur Ashley Villar van Harvard University en het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. "Als ze gelijk hadden, zou de B.O.A.T. een goudmijn moeten zijn geweest. Het is echt opvallend dat we geen enkel bewijs voor deze zware elementen hebben gezien."

Toen haar licht op 9 oktober 2022 over de aarde stroomde, was de B.O.A.T. zo helder dat het de meeste gammastraaldetectoren ter wereld verzadigde. De krachtige explosie vond ongeveer 2 miljard lichtjaar van de aarde plaats, in de richting van het sterrenbeeld Sagitta en duurde een paar honderd seconden. Toen astronomen zich haastten om de oorsprong van dit ongelooflijk heldere fenomeen te observeren, werden ze onmiddellijk getroffen door een gevoel van ontzag.

"Zolang we GRB's hebben kunnen detecteren, is het zonder twijfel zo dat deze GRB de helderste is die we ooit hebben gezien met een factor van 10 of meer," zei Wen-fai Fong, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Weinberg School of Arts and Sciences van Northwestern en lid van CIERA, destijds.

"Het evenement produceerde enkele van de hoogste energie fotonen ooit geregistreerd door satellieten die zijn ontworpen om gammastraling te detecteren," zei Blanchard. "Dit was een gebeurtenis die de aarde slechts één keer in de 10.000 jaar ziet. We zijn bevoorrecht om in een tijd te leven waarin we de technologie hebben om deze uitbarstingen die zich in het hele universum voordoen, te detecteren. Het is zo opwindend om zo'n zeldzaam astronomisch fenomeen als de B.O.A.T. te observeren en te werken aan het begrijpen van de fysica achter deze uitzonderlijke gebeurtenis."

In plaats van het evenement onmiddellijk te observeren, wilden Blanchard, Villar en hun team de GRB in zijn latere fasen bekijken. Ongeveer zes maanden nadat de GRB voor het eerst werd gedetecteerd, gebruikten Blanchard en Villar de JWST om de nasleep ervan te onderzoeken.

"De GRB was zo helder dat het elke potentieel supernova-signatuur in de eerste weken en maanden na de uitbarsting verduisterde," zei Blanchard. "Op die momenten was de zogenaamde nagloed van de GRB als de koplampen van een auto die recht op je afkomt, waardoor je de auto zelf niet kunt zien. Dus moesten we wachten tot het aanzienlijk was vervaagd om ons een kans te geven de supernova te zien."

"We hadden geluk dat de JWST net was gelanceerd en deze observaties kon uitvoeren," zei Villar. "De Melkweg stond toevallig voor de B.O.A.T., en het stof blokkeerde al het blauwe licht dat we normaal gesproken zouden zien. De JWST kan dwars door dit stof heen kijken en ons een ongelooflijke kijk in het infrarood geven."

Het team gebruikte de Near Infrared Spectrograph van de JWST om de kenmerkende handtekening van elementen zoals calcium en zuurstof te ontdekken die typisch in een supernova worden gevonden. Verrassend genoeg was het niet uitzonderlijk helder - zoals de ongelooflijk heldere GRB waarmee het werd vergezeld.

"Het is niet helderder dan eerdere supernovae", zei Blanchard. "Het ziet er vrij normaal uit in de context van andere supernovae die geassocieerd zijn met minder energieke GRB's. Je zou verwachten dat dezelfde instortende ster die een zeer energieke en heldere GRB produceert, ook een zeer energieke en heldere supernova zou produceren. Maar dat blijkt niet het geval te zijn. We hebben deze extreem lichtgevende GRB, maar een normale supernova."

Na voor het eerst de aanwezigheid van de supernova te hebben bevestigd, zochten Blanchard en zijn medewerkers vervolgens naar bewijzen van zware elementen erin. Momenteel hebben astrofysici een onvolledig beeld van alle mechanismen in het universum die elementen zwaarder dan ijzer kunnen produceren.

Het primaire mechanisme om zware elementen te produceren, het rapid neutron capture process, vereist een hoge concentratie neutronen. Tot nu toe hebben astrofysici alleen de productie van zware elementen via dit proces bevestigd in de samensmelting van twee neutronensterren, een botsing die in 2017 werd gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Maar wetenschappers zeggen dat er andere manieren moeten zijn om deze ongrijpbare materialen te produceren. Er zijn eenvoudigweg te veel zware elementen in het universum en te weinig neutronensterfusies.

"Er is waarschijnlijk een andere bron," zei Blanchard. "Het duurt heel lang voordat binaire neutronensterren samensmelten. Twee sterren in een binair systeem moeten eerst exploderen om neutronensterren achter te laten. Vervolgens kan het miljarden en miljarden jaren duren voordat de twee neutronensterren langzaamaan dichter bij elkaar komen en uiteindelijk samensmelten. Maar observaties van zeer oude sterren geven aan dat delen van het universum al verrijkt waren met zware metalen voordat de meeste binaire neutronensterren tijd zouden hebben gehad om samen te smelten. Dat wijst ons op een alternatief kanaal."

"We hebben het geluk te leven in een tijd waarin we de technologie hebben om deze uitbarstingen te detecteren die zich in het hele universum voordoen." - Peter Blanchard, CIERA Postdoctoraal Fellow

Astrofysici hebben gesuggereerd dat zware elementen ook kunnen worden geproduceerd door de ineenstorting van een snel draaiende, massieve ster - precies het type ster dat de B.O.A.T. heeft voortgebracht. Met behulp van het infraroodspectrum verkregen door de JWST bestudeerde Blanchard de binnenste lagen van de supernova, waar de zware elementen zouden moeten worden gevormd.

"Het ontplofte materiaal van de ster is ondoorzichtig op vroege tijdstippen, dus je kunt alleen de buitenste lagen zien," zei Blanchard. "Maar zodra het uitzet en afkoelt, wordt het transparant. Dan kun je de fotonen zien die uit de binnenste laag van de supernova komen."

"Bovendien absorberen en zenden verschillende elementen fotonen uit op verschillende golflengtes, afhankelijk van hun atoomstructuur, waardoor elk element een unieke spectrale handtekening heeft," legde Blanchard uit. "Daarom kan het kijken naar het spectrum van een object ons vertellen welke elementen er aanwezig zijn. Bij het onderzoeken van het spectrum van de B.O.A.T. zagen we geen enkele handtekening van zware elementen, wat suggereert dat extreme gebeurtenissen zoals GRB 221009A geen primaire bronnen zijn. Dit is cruciale informatie terwijl we proberen te bepalen waar de zwaarste elementen worden gevormd."

Om het licht van de supernova te onderscheiden van de heldere nagloed die eraan voorafging, combineerden de onderzoekers de JWST-gegevens met waarnemingen van de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chili.

"Zelfs enkele maanden nadat de explosie was ontdekt, was de nagloed helder genoeg om veel licht op de JWST-spectra te werpen," zei Tanmoy Laskar, assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Utah en co-auteur van de studie. "Het combineren van gegevens van de twee telescopen hielp ons om precies te meten hoe helder de nagloed was op het moment van onze JWST-waarnemingen en stelde ons in staat om zorgvuldig het spectrum van de supernova te extraheren."

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.