Najjaśniejszy rozbłysk gamma wszech czasów kwestionuje teorie powstawania pierwiastków

Wizualizacja artysty pokazująca GRB 221009A z wąskimi zwężającymi się strumieniami relatywistycznymi - wychodzącymi z centralnej czarnej dziury - które doprowadziły do powstania GRB i rozszerzających się pozostałości pierwotnej gwiazdy wyrzuconych podczas eksplozji supernowej. Wykorzystując Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, stypendysta postdoktorski Uniwersytetu Northwestern, Peter Blanchard, wraz ze swoim zespołem po raz pierwszy wykrył supernową, potwierdzając, że GRB 221009A było wynikiem załamania się masywnej gwiazdy. Współautorzy badania odkryli również, że zdarzenie miało miejsce w gęstym regionie formowania gwiazd swojej galaktyki gospodarza, co ukazuje tło mgławicy. Autor zdjęcia: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services

W październiku 2022 roku międzynarodowy zespół badaczy, w tym astrofizycy z Uniwersytetu Northwestern, zaobserwował najjaśniejszy w historii rozbłysk gamma (GRB), GRB 221009A.

Teraz zespół, na czele z Northwestern, potwierdził, że zjawisko odpowiedzialne za historyczny rozbłysk - nazwane B.O.A.T. ("najjaśniejsze ze wszystkich czasów") - to załamanie i następna eksplozja masywnej gwiazdy. Zespół odkrył eksplozję, czyli supernową, przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST).

Podczas gdy to odkrycie rozwiązuje jedną tajemnicę, inna tajemnica pogłębia się.

Badacze spekulowali, że dowody na ciężkie pierwiastki, takie jak platyna i złoto, mogą znajdować się w nowo odkrytej supernowej. Obszerne poszukiwania nie znalazły jednak sygnatury towarzyszącej takim pierwiastkom. Pochodzenie ciężkich pierwiastków we wszechświecie nadal pozostaje jednym z największych niewyjaśnionych zagadek astronomii.

Badania zostały opublikowane 12 kwietnia na łamach czasopisma "Nature Astronomy".

"Kiedy potwierdziliśmy, że GRB powstało w wyniku załamania się masywnej gwiazdy, dało nam to możliwość przetestowania hipotezy dotyczącej powstawania niektórych ciężkich pierwiastków we wszechświecie", powiedział Blanchard z Northwestern, który kierował badaniem. "Nie zobaczyliśmy sygnatur tych ciężkich pierwiastków, co sugeruje, że niezwykle energetyczne GRB, takie jak B.O.A.T., nie wytwarzają tych pierwiastków. Nie oznacza to jednak, że wszystkie GRB ich nie produkują, ale jest to kluczowy kawałek informacji, kiedy nadal staramy się zrozumieć, skąd pochodzą te ciężkie pierwiastki. Przyszłe obserwacje za pomocą JWST pozwolą stwierdzić, czy 'normalne' odpowiedniki B.O.A.T. produkują te pierwiastki".

Blanchard jest stypendystą postdoktorskim w Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Badań z Astrofizyki (CIERA) na Uniwersytecie Northwestern, gdzie bada supernowe o nadluminalnej jasności. W skład zespołu badawczego wchodzą współautorzy z Centrum Astrofizyki | Harvard i Smithsonian; Uniwersytetu w Utah; Penn State; Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; Uniwersytetu Radbouta w Holandii; Instytutu Nauki Kosmicznego Teleskopu; Uniwersytetu Arizony/Observatorium Stewarda; Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara; Uniwersytetu Columbia; Instytutu Flatiron; Uniwersytetu w Greifswaldzie i Uniwersytetu w Guelph.

"To zdarzenie jest szczególnie ekscytujące, ponieważ niektórzy spekulowali, że jasny rozbłysk gamma, jak B.O.A.T., mógł wytworzyć dużo ciężkich pierwiastków, takich jak złoto i platyna", powiedziała druga autorka, Ashley Villar, z Uniwersytetu Harvarda i Centrum Astrofizyki | Harvard i Smithsonian. "Jeżeli mieli rację, B.O.A.T. powinno być kopalnią złota. To naprawdę zaskakujące, że nie zobaczyliśmy żadnych dowodów na te ciężkie pierwiastki".

Gdy jego światło zalało Ziemię 9 października 2022, B.O.A.T. był tak jasny, że nasycił większość detektorów rozbłysków gamma na świecie. Potężna eksplozja miała miejsce około 2 miliardy lat świetlnych od Ziemi, w kierunku gwiazdozbioru Strzały, i trwała kilkaset sekund. Gdy astronomowie spieszyli się, aby zaobserwować początek tego niezwykle jasnego zjawiska, natychmiast poczuli podziw.

"Odkąd byliśmy w stanie wykrywać GRB, nie ma żadnych wątpliwości, że to GRB jest najjaśniejszym, które kiedykolwiek widzieliśmy, co najmniej o rząd wielkości", powiedziała Wen-fai Fong, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii na Weinberg College of Arts and Sciences na Uniwersytecie Northwestern i członek CIERA, w tamtym czasie.

"Wydarzenie wyprodukowało jedne z najwyższej energii fotonów, jakie kiedykolwiek zarejestrowały satelity zaprojektowane do wykrywania promieniowania gamma", powiedział Blanchard. "Było to zdarzenie, które Ziemia widzi tylko raz na 10 000 lat. Jesteśmy szczęśliwi, że żyjemy w czasach, kiedy mamy technologię, która pozwala wykrywać te wybuchy zachodzące na przestrzeni wszechświata. To tak ekscytujące obserwować tak rzadkie zjawisko astronomiczne, jak B.O.A.T., i próbować zrozumieć fizykę za tym wyjątkowym wydarzeniem".

Zamiast natychmiast obserwować zdarzenie, Blanchard, Villar i ich zespół chcieli zobaczyć GRB podczas jego późniejszych faz. Około sześć miesięcy po pierwszym wykryciu GRB, Blanchard i Villar użyli JWST do zbadania jego następstw.

"GRB było tak jasne, że przysłoniło wszystkie potencjalne sygnatury supernowej w pierwszych tygodniach i miesiącach po wybuchu", powiedział Blanchard. "W tych momentach tak zwany afterglow GRB był jak reflektory samochodu jadącego prosto na ciebie, uniemożliwiając ci zobaczenie samego samochodu. Musieliśmy więc poczekać, aż znacznie zblednie, aby dać nam szansę na zobaczenie supernowej".

"Mieliśmy szczęście, że JWST został właśnie wystrzelony i mógł przeprowadzić te obserwacje", powiedział Villar. "Droga Mleczna zasłoniła B.O.A.T., a jej kurz zablokował całe niebieskie światło, które normalnie byśmy zobaczyli. JWST może spojrzeć przez ten kurz i dać nam naprawdę niesamowity widok w podczerwieni".

Zespół użył spektrografu bliskiej podczerwieni JWST do odkrycia charakterystycznego podpisu elementów, takich jak wapń i tlen, zwykle znajdujących się w supernowej. Zaskakująco nie był on wyjątkowo jasny - tak jak niewiarygodnie jasny GRB, który mu towarzyszył.

"Nie jest jaśniejszy niż poprzednie supernowe", powiedział Blanchard. "Wygląda dość normalnie w kontekście innych supernowych związanych z mniej energetycznymi GRB. Można by oczekiwać, że ta sama zapadająca się gwiazda produkująca bardzo energetyczne i jasne GRB wytworzyłaby również bardzo energetyczną i jasną supernową. Ale okazuje się, że tak nie jest. Mamy ten niezwykle jasny GRB, ale normalną supernową".

Po potwierdzeniu - po raz pierwszy - obecności supernowej, Blanchard i jego współpracownicy rozpoczęli poszukiwania dowodów na obecność ciężkich pierwiastków w niej. Obecnie astrofizycy mają niepełny obraz wszystkich mechanizmów we wszechświecie, które mogą produkować pierwiastki cięższe niż żelazo.

Głównym mechanizmem wytwarzania ciężkich pierwiastków jest proces szybkiego pochłaniania neutronów, który wymaga wysokiego stężenia neutronów. Do tej pory astrofizycy potwierdzili produkcję ciężkich pierwiastków za pomocą tego procesu tylko w wyniku fuzji dwóch gwiazd neutronowych, kolizji wykrytej przez Laserowy Interferometr Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) w 2017 roku. Ale naukowcy mówią, że muszą istnieć inne sposoby na produkcję tych trudnych do zdobycia materiałów. Po prostu jest zbyt wiele ciężkich pierwiastków we wszechświecie i zbyt mało zderzeń gwiazd neutronowych.

"Prawdopodobnie istnieje jeszcze inne źródło", powiedział Blanchard. "Zajmuje bardzo dużo czasu, aby dwie gwiazdy neutronowe z systemu podwójnego połączyły się. Dwie gwiazdy z układu podwójnego muszą najpierw eksplodować, aby pozostawić gwiazdy neutronowe. Następnie miliardy lat potrzeba, aby te dwie gwiazdy neutronowe zbliżyły się do siebie na tyle, aby w końcu połączyć się. Ale obserwacje bardzo starych gwiazd wskazują, że części wszechświata zostały wzbogacone w metale ciężkie, zanim większość układów podwójnych gwiazd neutronowych miała czas na połączenie. To wskazuje na alternatywne źródło".

"Mamy szczęście mieszkać w czasach, gdy mamy technologię do wykrywania tych wybuchów zachodzących na całym wszechświecie." - powiedział Peter Blanchard, stypendysta postdoktorancki w CIERA.

Astrofizycy wysunęli hipotezę, że ciężkie pierwiastki mogą być również wytwarzane przez zapadanie się szybko obracającej się, masywnej gwiazdy - dokładnie tego typu gwiazdy, która wygenerowała B.O.A.T. Blanchard, korzystając ze spektrum podczerwieni uzyskanego przez JWST, zbadał wewnętrzne warstwy supernowej, gdzie powinny powstać ciężkie pierwiastki.

"Materiał eksplodującej gwiazdy jest nieprzezroczysty na początku, więc można zobaczyć tylko warstwy zewnętrzne", powiedział Blanchard. "Ale kiedy się rozszerza i stygnie, staje się przezroczysty. Wtedy można zobaczyć fotony pochodzące z wewnętrznej warstwy supernowej".

"Ponadto, różne pierwiastki pochłaniają i emitują fotony na różnych długościach fal, w zależności od swojej struktury atomowej, dając każdemu pierwiastkowi unikalną sygnaturę widmową", wyjaśnił Blanchard. "Dlatego patrząc na widmo obiektu, możemy dowiedzieć się, jakie elementy są obecne. Po zbadaniu widma B.O.A.T, nie znaleźliśmy żadnego śladu ciężkich pierwiastków, co sugeruje, że skrajne zdarzenia jak GRB 221009A nie są głównymi źródłami. To kluczowa informacja, kiedy próbujemy ustalić, gdzie powstają najcięższe pierwiastki".

Aby oddzielić światło supernowej od jasnego afterglow, który pojawił się przed nim, naukowcy skojarzyli dane JWST z obserwacjami z Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) w Chile.

"Nawet kilka miesięcy po odkryciu wybuchu, afterglow było na tyle jasne, że mogło przyczynić się do znacznej ilości światła w widmach JWST", powiedział Tanmoy Laskar, profesor asystent fizyki i astronomii na Uniwersytecie Utah, współautor badania. "Łączenie danych z dwóch teleskopów pomogło nam dokładnie zmierzyć, jak jasne było afterglow w momencie naszych obserwacji JWST i pozwoliło nam starannie wyodrębnić widmo supernowej".

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.