Den klaraste gammastrålningsutbrottet någonsin utmanar teorier om elementbildning

Konstnärens visualisering av GRB 221009A visar de smala relativistiska strålarna - som kommer från ett centralt svart hål - som gav upphov till GRB och de expanderande resterna av den ursprungliga stjärnan som kastades ut genom supernovaexplosionen. Med James Webb Space Telescope upptäckte Peter Blanchard, postdoktor vid Northwestern University, och hans team supernovan för första gången, vilket bekräftade att GRB 221009A var resultatet av en massiv stjärnas kollaps. Studiens medsökande fann också att händelsen inträffade i en tät stjärnbildningsregion i sin värdgalax, vilket visas av den bakgrunda nebulosan. Kredit: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT FoU Computing and Data Services

I oktober 2022 observerade ett internationellt team av forskare, inklusive astrofysiker från Northwestern University, den ljusaste gammastrålningsutbrottet (GRB) som någonsin registrerats, GRB 221009A.

Nu har ett team lett av Northwestern bekräftat att fenomenet som ansvarar för den historiska utbrottet - döpt till B.O.A.T. ("ljusaste genom tiderna") - är kollapsen och den efterföljande explosionen av en massiv stjärna. Teamet upptäckte explosionen, eller supernovan, med hjälp av NASA:s James Webb Space Telescope (JWST).

Medan denna upptäckten löser ett mysterium, fördjupas ett annat mysterium.

Forskarna spekulerade i att bevis för tunga element, såsom platina och guld, skulle kunna finnas inom den nyupptäckta supernovan. Den omfattande sökningen hittade dock inte den signatur som åtföljer sådana element. Ursprunget till tunga element i universum fortsätter att förbli en av astronomins största öppna frågor.

Forskningen publicerades den 12 april i tidskriften Nature Astronomy.

"När vi bekräftade att GRB orsakades av kollapsen av en massiv stjärna, gav det oss möjlighet att testa en hypotes om hur några av de tyngsta elementen i universum bildas," sade Peter Blanchard vid Northwestern, som ledde studien. "Vi såg inte signaturer av dessa tunga element, vilket tyder på att extremt energirika GRB:er som B.O.A.T. inte producerar dessa element. Det betyder inte att alla GRB:er inte producerar dem, men det är en viktig bit information när vi fortsätter att förstå var dessa tunga element kommer från. Framtida observationer med JWST kommer att avgöra om B.O.A.T.:s 'normala' kusiner producerar dessa element."

Blanchard är en postdoktor vid Northwestern's Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), där han studerar superluminösa supernovor och GRB:er. Studien inkluderar medsökande från Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian; Universitetet i Utah; Penn State; University of California, Berkeley; Radbounds universitet i Nederländerna; Space Telescope Science Institute; University of Arizona/Steward Observatory; University of California, Santa Barbara; Columbia University; Flatiron Institute; University of Greifswald och University of Guelph.

"Denna händelse är särskilt spännande eftersom somliga hade spekulerat i att ett ljusstarkt gammastrålningsutbrott som B.O.A.T. skulle kunna producera en hel del tunga element som guld och platina," sade Ashley Villar, andra författare till studien, vid Harvard University och the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. "Om de hade rätt skulle B.O.A.T. ha varit en guldgruva. Det är verkligen slående att vi inte såg några bevis för dessa tunga element."

När dess ljus sköljde över jorden den 9 oktober 2022 var B.O.A.T. så ljus att det mättade de flesta av världens gammastråldetektorer. Den kraftfulla explosionen inträffade ungefär 2 miljarder ljusår bort från jorden, i riktning mot stjärnbilden Sagitta och varade i några hundra sekunder. När astronomer skyndade sig att observera ursprunget till detta otroligt ljusa fenomen, träffades de genast av en känsla av vördnad.

"Så länge vi har kunnat upptäcka GRB:er, råder det ingen tvekan om att denna GRB är den ljusaste vi någonsin har bevittnat med en faktor på 10 eller mer", sade Wen-fai Fong, en biträdande professor i fysik och astronomi vid Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA, vid tillfället.

"Händelsen producerade några av de högsta energifotonerna som någonsin har registrerats av satelliter som är konstruerade för att upptäcka gammastrålar", sade Blanchard. "Detta var en händelse som jorden bara ser en gång vart 10 000 år. Vi har turen att leva i en tid när vi har tekniken att identifiera dessa utbrott som händer över hela universum. Det är så spännande att observera ett sådant sällsynt astronomiskt fenomen som B.O.A.T. och arbeta för att förstå fysiken bakom denna exceptionella händelse."

Snarare än att observera händelsen omedelbart, ville Blanchard, Villar och deras team undersöka GRB under dess senare faser. Ungefär sex månader efter det att GRB ursprungligen registrerades, använde Blanchard och Villar JWST för att undersöka dess efterspel.

"GRB var så ljus att den skymde någon potentiell supernovasignatur under de första veckorna och månaderna efter utbrottet", sa Blanchard. "Under dessa tider var GRB:s så kallade efterglöd lika stark som strålkastarna på en bil som kommer rätt mot dig, vilket hindrar dig från att se själva bilen. Så vi var tvungna att vänta på att den skulle blekna avsevärt för att ge oss en chans att se supernovan."

"Vi hade tur att JWST precis hade lanserats och kunde genomföra dessa observationer", sa Villar. "Vintergatan råkade sitta framför B.O.A.T., och dess damm blockerade allt det blå ljuset vi normalt skulle se. JWST kan titta rakt igenom detta damm och ge oss en riktigt otrolig vy i infrarött."

Teamet använde JWST:s nära infraröda spektrograf för att upptäcka den karaktäristiska signaturen för element som kalcium och syre som normalt finns inom en supernova. Förvånansvärt nog var den inte exceptionellt ljus - till skillnad från den otroligt ljusa GRB som den åtföljde.

"Den är inte mer ljusstark än tidigare supernovor", sa Blanchard. "Den ser ganska normal ut i sammanhanget av andra supernovor som är förknippade med mindre energiska GRB:er. Du kanske förväntar dig att samma kollapsande stjärna som producerar en mycket energisk och ljus GRB också skulle producera en mycket energisk och ljus supernova. Men det visar sig att det inte är fallet. Vi har denna extremt lysande GRB, men en normal supernova."

Efter att ha bekräftat - för första gången - förekomsten av supernovan, sökte Blanchard och hans medarbetare efter bevis på tunga element inom den. För närvarande har astrofysiker en ofullständig bild av alla de mekanismer i universum som kan producera element tyngre än järn.

Den främsta mekanismen för att producera tunga element, den snabba neutroninfångningsprocessen, kräver en hög koncentration av neutroner. Hittills har astrofysiker bara bekräftat produktionen av tunga element via denna process i sammanslagningen av två neutronstjärnor, en kollision som detekterades av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) 2017. Men forskare säger att det måste finnas andra sätt att producera dessa svårfångade material. Det finns helt enkelt för många tunga element i universum och för få neutronstjärnesammanslagningar.

"Det är troligt att det finns en annan källa", sa Blanchard. "Det tar mycket lång tid för binära neutronstjärnor att slås samman. Två stjärnor i ett binärt system måste först explodera för att lämna kvar neutronstjärnor. Sedan kan det ta miljarder och åter miljarder år för de två neutronstjärnorna att sakta närma sig varandra och slutligen slås samman. Men observationer av mycket gamla stjärnor indikerar att delar av universum berikades med tungmetaller innan de flesta binära neutronstjärnorna skulle ha haft tid att slås samman. Det pekar oss mot en alternativ kanal."

"Vi är lyckligt lottade som lever i en tid då vi har tekniken för att upptäcka dessa utbrott som sker över universum." - Peter Blanchard, det postdoktorala stipendiatet vid CIERA.

Astrofysiker har teoretiserat att tunga element också kan produceras av kollapsen av en snabbt roterande, massiv stjärna - exakt den typ av stjärna som genererade B.O.A.T. Med hjälp av det infraröda spektrum som erhållits av JWST, studerade Blanchard supernovans inre skikt, där de tunga elementen borde bildas.

"Det exploderade materialet från stjärnan är ogenomskinligt i början, så du kan bara se de yttre lagren", sa Blanchard. "Men när den expanderar och svalnar blir den transparent. Då kan du se fotonerna som kommer från supernovas inre skikt."

"Dessutom absorberar och emitterar olika element fotoner vid olika våglängder, beroende på deras atomstruktur, vilket ger varje element en unik spektral signatur", förklarade Blanchard. "Därför kan man genom att titta på ett objekts spektrum se vilka element som finns. När vi undersökte B.O.A.T.:s spektrum såg vi ingen signatur av tunga element, vilket tyder på att extremt händelser som GRB 221009A inte är primära källor. Detta är avgörande information när vi fortsätter att försöka spåra var de tyngsta elementen bildas."

För att särskilja ljuset från supernovan från det ljusa efterglödet som kom före det, kombinerade forskarna JWST-data med observationer från det stora millimeter/submillimeterantennen (ALMA) i Chile.

"Även flera månader efter att utbrottet upptäcktes var efterglödet tillräckligt ljusstarkt för att bidra med mycket ljus i JWST-spektrat", sa Tanmoy Laskar, lektor i fysik och astronomi vid University of Utah och en medförfattare till studien. "Att kombinera data från de två teleskopen hjälpte oss att mäta exakt hur ljusstarkt efterglödet var vid tidpunkten för våra JWST-observationer och tillåter oss att noggrant extrahera supernovas spektrum."

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.