I oktober 2022 observerade ett internationellt team av forskare, inklusive astrofysiker från Northwestern University, den ljusaste gammastrålning (GRB) som någonsin registrerats, GRB 221009A.
Nu har ett team som leds av Northwestern bekräftat att fenomenet som är ansvarigt för den historiska explosionen – kallat 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 upptäckt löser ett mysterium, fördjupas ett annat mysterium.
Forskarna spekulerade i att bevis på tunga grundämnen, som platina och guld, kan finnas i den nyligen upptäckta supernovan. Den omfattande sökningen hittade dock inte signaturen som åtföljer sådana inslag. Ursprunget till tunga grundämnen i universum fortsätter att vara en av astronomis största öppna frågor.
Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Astronomy .
"När vi bekräftade att GRB genererades av kollapsen av en massiv stjärna, gav det oss möjligheten att testa en hypotes för hur några av de tyngsta elementen i universum bildas", säger Northwesterns Peter Blanchard, som ledde studien.
"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."
När dess ljus sköljde över jorden den 9 oktober 2022, kom B.O.A.T. var så ljus att den mättade de flesta av världens gammastrålningsdetektorer. Den kraftiga explosionen inträffade cirka 2,4 miljarder ljusår från jorden, i riktning mot stjärnbilden Sagitta och varade i några hundra sekunder. När astronomer försökte observera ursprunget till detta otroligt ljusa fenomen, drabbades de omedelbart av en känsla av vördnad.
"Så länge vi har kunnat upptäcka GRB är det ingen tvekan om att denna GRB är den ljusaste vi någonsin har sett med en faktor 10 eller mer," Wen-fai Fong, docent i fysik och astronomi vid Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences och medlem av CIERA, sa då.
"Händelsen producerade några av de fotoner med högsta energi som någonsin registrerats av satelliter designade för att upptäcka gammastrålar," sa Blanchard. "Det här var en händelse som jorden bara ser en gång vart 10 000:e år. Vi har turen att leva i en tid då vi har teknologin för att upptäcka dessa skurar som händer över hela universum. Det är så spännande att observera ett så sällsynt astronomiskt fenomen som B.O.A.T. och arbeta för att förstå fysiken bakom denna exceptionella händelse."
Istället för att observera händelsen omedelbart ville Blanchard, hans nära samarbetspartner Ashley Villar från Harvard University och deras team se GRB under dess senare faser. Ungefär sex månader efter att GRB först upptäcktes använde Blanchard JWST för att undersöka dess efterverkningar.
"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."
Blanchard använde JWST:s Near Infrared Spectrograph för att observera objektets ljus vid infraröda våglängder. Det var då han såg den karakteristiska signaturen av element som kalcium och syre som vanligtvis finns i en supernova. Överraskande nog var den inte exceptionellt ljus – som den otroligt ljusa GRB som den åtföljde.
"Det är inte ljusare än tidigare supernovor," sa 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."
Efter att ha bekräftat - för första gången - närvaron av supernovan, sökte Blanchard och hans medarbetare efter bevis på tunga element i den. För närvarande har astrofysiker en ofullständig bild av alla mekanismer i universum som kan producera grundämnen som är tyngre än järn.
Den primära mekanismen för att producera tunga grundämnen, den snabba neutroninfångningsprocessen, kräver en hög koncentration av neutroner. Hittills har astrofysiker endast bekräftat produktionen av tunga grundämnen via denna process i sammanslagning av två neutronstjärnor, en kollision som upptäcktes 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 grundämnen i universum och för få sammanslagningar av neutronstjärnor.
"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 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. Det pekar oss på en alternativ kanal."
Astrofysiker har antagit att tunga grundämnen också kan produceras genom kollapsen av en snabbt snurrande, massiv stjärna - den exakta typen 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 skulle bildas.
"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."
"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 vi genom att titta på ett objekts spektrum berätta för oss vilka element som finns. 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. Detta är avgörande information som vi fortsätter att försöka fastställa var de tyngsta elementen bildas."
För att särskilja ljuset från supernovan från ljuset från det ljusa efterglöd som kom före den, parade forskarna JWST-data med observationer från Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) i Chile.
"Även flera månader efter att explosionen upptäcktes var efterglöden tillräckligt stark för att bidra med mycket ljus i JWST-spektra", säger Tanmoy Laskar, biträdande professor i fysik och astronomi vid University of Utah och medförfattare på studera.
"Att kombinera data från de två teleskopen hjälpte oss att mäta exakt hur ljus efterglöden var vid tidpunkten för våra JWST-observationer och tillät oss att noggrant extrahera supernovans spektrum."
Även om astrofysiker ännu inte har avslöjat hur en "normal" supernova och en rekordstor GRB producerades av samma kollapsade stjärna, sa Laskar att det kan vara relaterat till formen och strukturen hos de relativistiska jetstrålarna. När de snabbt snurrar kollapsar massiva stjärnor till svarta hål, de producerar strålar av material som startar med hastigheter nära ljusets hastighet. Om dessa strålar är smala producerar de en mer fokuserad – och ljusare – ljusstråle.
"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 stark som den gjorde. Det kan också finnas andra faktorer som är ansvariga, en fråga som forskare kommer att studera i många år framöver."
Ytterligare ledtrådar kan också komma från framtida studier av galaxen där B.O.A.T. inträffade. "Förutom ett spektrum av själva B.O.A.T., fick vi också ett spektrum av dess "värd" galax," sa Blanchard. "Spektrumet visar tecken på intensiv stjärnbildning, vilket antyder att den ursprungliga stjärnans födelsemiljö kan vara annorlunda än tidigare händelser."
Teammedlem Yijia Li, en doktorand vid Penn State, modellerade galaxens spektrum och fann att B.O.A.T.:s värdgalax har den lägsta metalliciteten, ett mått på mängden grundämnen tyngre än väte och helium, av alla tidigare GRB-värdar. galaxer. "Detta är en annan unik aspekt av B.O.A.T. som kan hjälpa till att förklara dess egenskaper," sa Li.
Detta arbete är baserat på observationer gjorda med NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope.
Blanchard är postdoktor vid Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), där han studerar superluminous supernovor och GRBs. Studien inkluderar medförfattare från Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian; University of Utah; Penn State; University of California, Berkeley; Radbound University 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.
Mer information: JWST-detektion av en supernova associerad med GRB 221009A utan en r-processignatur', Naturastronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av Northwestern University
