Efter en resa som varade omkring två miljarder år träffade fotoner från en extremt energisk gammastrålning (GRB) sensorerna på Neil Gehrels Swift Observatory och Fermi Gamma-Ray Space Telescope den 9 oktober 2022. GRB varade i sju minuter men var synlig mycket längre. Till och med amatörastronomer såg den kraftfulla explosionen i synliga frekvenser.
Den var så kraftfull att den påverkade jordens atmosfär, en anmärkningsvärd bedrift för något mer än två miljarder ljusår bort. Det är den ljusaste GRB som någonsin observerats, och sedan dess har astrofysiker sökt efter dess källa.
NASA säger att GRB är de mest kraftfulla explosionerna i universum. De upptäcktes först i slutet av 1960-talet av amerikanska satelliter som skjutits upp för att hålla ett öga på Sovjetunionen. Amerikanerna var oroliga för att ryssarna skulle kunna fortsätta testa atomvapen trots att de undertecknade 1963 års kärnvapenförbud.
Nu upptäcker vi ungefär en GRB dagligen, och de är alltid i avlägsna galaxer. Astrofysiker kämpade för att förklara dem och kom med olika hypoteser. Det fanns så mycket forskning om dem att fram till år 2 000 publicerades i genomsnitt 1,5 artiklar om GRB i vetenskapliga tidskrifter dagligen.
Det fanns många olika föreslagna orsaker. Vissa trodde att GRB kunde frigöras när kometer kolliderade med neutronstjärnor. Andra trodde att de kunde komma från massiva stjärnor som kollapsade för att bli svarta hål. Faktum är att forskare undrade om kvasarer, supernovor, pulsarer och till och med klotformiga kluster kunde vara orsaken till GRB eller på något sätt associerade med dem.
GRB är förvirrande eftersom deras ljuskurvor är så komplexa. Inga två är identiska. Men astrofysiker gjorde framsteg, och de har lärt sig några saker. Kortvariga GRB:er orsakas av sammanslagning av två neutronstjärnor eller sammanslagning av en neutronstjärna och ett svart hål. GRB:er med längre varaktighet orsakas av en massiv stjärna som kollapsar och bildar ett svart hål.
Ny forskning inom Nature Astronomy undersökte den ultraenergiska GRB 221009A, kallad "B.O.A.T:Brightest Of All Time" och hittade något överraskande. När det först upptäcktes sa forskare att det orsakades av en massiv stjärna som kollapsade i ett svart hål. Den nya forskningen motsäger inte det. Men det presenterar ett nytt mysterium:varför finns det inga tunga element i den nyligen upptäckta supernovan?
Forskningen är "JWST-detektion av en supernova associerad med GRB 221009A utan en r-processignatur." Huvudförfattare är Peter Blanchard, ett postdoktorandstipendiat vid Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA).
"GRB var så ljus att den döljde alla potentiella supernovasignaturer under de första veckorna och månaderna efter explosionen," sa Blanchard. "Vid dessa tider var den så kallade efterglöden från GRB som strålkastarna på en bil som kom rakt mot dig och hindrade dig från att se själva bilen. Så vi var tvungna att vänta på att den skulle blekna ordentligt för att ge oss en chans att ser supernovan."
"När vi bekräftade att GRB genererades av kollapsen av en massiv stjärna, gav det oss möjlighet att testa en hypotes för hur några av de tyngsta elementen i universum bildas", säger huvudförfattaren Blanchard.
"Vi såg inte signaturer av dessa tunga element, vilket tyder på att extremt energiska 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 del av information som vi fortsätter att förstå var dessa tunga element kommer ifrån. Framtida observationer med JWST kommer att avgöra om B.O.A.T."s "normala" kusiner producerar dessa element."
Forskare vet att supernovaexplosioner skapar tunga grundämnen. De är en viktig källa till grundämnen från syre (atomnummer 8) till rubidium (atomnummer 37) i det interstellära mediet. De producerar också tyngre grundämnen än så. Tunga grundämnen är nödvändiga för att bilda steniga planeter som jorden och för livet självt. Men det är viktigt att notera att astrofysiker inte helt förstår hur tunga grundämnen produceras.
"Den här händelsen är särskilt spännande eftersom vissa hade antagit att en lysande gammastrålning som B.O.A.T. skulle kunna göra många tunga element som guld och platina", säger andra författaren Ashley Villar från Harvard University och Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian. "Om de var korrekta borde B.O.A.T. ha varit en guldgruva. Det är verkligen slående att vi inte såg några bevis för dessa tunga element."
Stjärnor smider tunga grundämnen genom nukleosyntes. Tre processer är ansvariga för det:p-processen, s-processen och r-processen (protoninfångningsprocess, långsam neutroninfångningsprocess och den snabba neutroninfångningsprocessen.) r-processen fångar neutroner snabbare än s- process och är ansvarig för ungefär hälften av de grundämnen som är tyngre än järn. r-processen är också ansvarig för de mest stabila isotoper av dessa tunga grundämnen.
Det är allt för att illustrera vikten av r-processen i universum.
Forskarna använde JWST för att komma till botten med GRB 221009A. GRB:n var skymd av Vintergatan, men JWST känner av infrarött ljus och såg rakt igenom Vintergatans gas och damm. Teleskopets NIRSpec (nära infraröd spektrograf) känner av element som syre och kalcium, som vanligtvis finns i supernovor. Men signaturerna var inte särskilt ljusa, en överraskning med tanke på hur ljus supernovan var.
"Det är inte ljusare än tidigare supernovor," sa huvudförfattaren Blanchard. "Det ser ganska normalt ut i sammanhanget med andra supernovor som är associerade med mindre energirika GRB:er. Du kan förvänta dig att samma kollapsande stjärna som producerar en mycket energisk och ljusstark GRB också skulle producera en mycket energisk och ljus supernova. Men det visar sig att så inte är fallet. . Vi har denna extremt lysande GRB, men en normal supernova."
Att bekräfta närvaron av supernova var ett stort steg för att förstå GRB 221009A. Men avsaknaden av en r-processignatur är fortfarande förvirrande.
Forskare har bara bekräftat r-processen i sammanslagning av två neutronstjärnor, kallad en kilonovaexplosion. Men det finns för få sammanslagningar av neutronstjärnor för att förklara överflödet av tunga grundämnen.
"Det finns sannolikt en annan källa," sa Blanchard. "Det tar väldigt lång tid för binära neutronstjärnor att smälta samman. Två stjärnor i ett binärt system måste först explodera för att lämna neutronstjärnor bakom sig. Sedan kan det ta miljarder och miljarder år för de två neutronstjärnorna att sakta komma närmare och Närmare och slutligen smälter samman Men observationer av mycket gamla stjärnor tyder på att delar av universum berikades med tungmetaller innan de flesta binära neutronstjärnor skulle ha hunnit smälta samman
Forskare har undrat om lysande supernovor som denna kan stå för resten. Supernovor har ett inre lager där fler tunga grundämnen kan syntetiseras. Men det lagret är skymt. Först efter att saker lugnat ner sig syns det inre lagret.
"Det exploderade materialet i stjärnan är ogenomskinligt vid tidiga tidpunkter, så du kan bara se de yttre lagren," sa Blanchard. "Men när den väl expanderar och svalnar blir den genomskinlig. Då kan du se fotoner som kommer från supernovans inre skikt."
Alla element har spektroskopiska signaturer, och JWST:s NIRSpec är ett mycket kapabelt instrument. Men den kunde inte upptäcka tyngre grundämnen, inte ens i supernovans inre lager.
"När vi undersökte B.O.A.T."s spektrum såg vi ingen signatur av tunga element, vilket tyder på att extrema händelser som GRB 221009A inte är primära källor", sa huvudförfattaren Blanshard. "Detta är avgörande information när vi fortsätter att försöka fastställa var de tyngsta elementen bildas."
Forskare är fortfarande osäkra på GRB och dess brist på tunga element. Men det finns en annan funktion som kan ge en ledtråd:jets.
"En andra föreslagen plats för r-processen är i snabbt roterande kärnor av massiva stjärnor som kollapsar till ett växande svart hål, vilket skapar liknande förhållanden som efterdyningarna av en BNS-fusion", skriver författarna i sin tidning. "Teoretiska simuleringar tyder på att utflöden av accretionskivor i dessa så kallade 'kollapsarer' kan nå det neutronrika tillstånd som krävs för att r-processen ska inträffa."
Accretion diskutflöden som forskarna hänvisar till är relativistiska jetstrålar. Ju smalare jetstrålarna är, desto ljusare och mer fokuserad är deras energi.
"Det är som att fokusera en ficklampas stråle i en smal kolumn, i motsats till en bred stråle som sköljer över en hel vägg," sa Laskar. "Faktum är att detta var ett av de smalaste strålarna som setts för en gammastrålning hittills, vilket ger oss en fingervisning om varför efterglöden verkade så ljus som den gjorde. Det kan också finnas andra faktorer som är ansvariga, en fråga som forskare kommer att studera i många år framöver."
Forskarna använde också NIRSpec för att samla ett spektrum från GRB:s värdgalax. Den har den lägsta metalliciteten av någon galax som är känd för att vara värd för en GRB. Kan det vara en faktor?
"Detta är en av de lägsta metallicitetsmiljöerna av alla LGRB, som är en klass av objekt som föredrar lågmetallicitetsgalaxer, och det är, såvitt vi vet, den lägsta metallicitetsmiljön för en GRB-SN hittills", skriver författarna. i sin forskning. "Detta kan tyda på att mycket låg metallicitet krävs för att producera en mycket energisk GRB."
"Spektrumet visar tecken på stjärnbildning, vilket antyder att födelsemiljön för den ursprungliga stjärnan kan vara annorlunda än tidigare händelser," sa Blanshard.
Yijia Li är doktorand vid Penn State och medförfattare till tidningen. "Detta är en annan unik aspekt av B.O.A.T. som kan hjälpa till att förklara dess egenskaper," sa Li. "Den energi som frigjordes i B.O.A.T. var helt utanför listorna, en av de mest energiska händelserna människor någonsin har sett. Det faktum att det också verkar vara född ur nästan urgas kan vara en viktig ledtråd för att förstå dess superlativa egenskaper. "
Detta är ett annat fall där att lösa ett mysterium leder till ett annat obesvarat. JWST lanserades för att svara på några av våra grundläggande frågor om universum. Genom att bekräfta att en supernova ligger bakom den mest kraftfulla GRB som någonsin upptäckts, har den gjort en del av sitt jobb.
Men det hittade också ett annat mysterium och har lämnat oss hängande igen.
JWST fungerar som avsett.
Mer information: Peter K. Blanchard et al, JWST-detektion av en supernova associerad med GRB 221009A utan en r-processignatur, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av Universe Today
