_ Cea mai strălucitoare rază gamma explozia văzută vreodată a venit de la o stea care se prăbușește

După o călătorie care a durat aproximativ două miliarde de ani, fotonii dintr-o explozie de raze gamma extrem de energice (GRB) au lovit senzorii de la Observatorul Neil Gehrels Swift și de la Fermi Gamma- Telescopul spațial Ray pe 9 octombrie 2022. GRB a durat șapte minute, dar a fost vizibil mult mai mult timp. Chiar și astronomii amatori au observat explozia puternică în frecvențele vizibile.

A fost atât de puternică încât a afectat atmosfera Pământului, o performanță remarcabilă pentru ceva la mai mult de două miliarde de ani lumină distanță. Este cel mai strălucitor GRB observat vreodată și, de atunci, astrofizicienii i-au căutat sursa.

NASA spune că GRB-urile sunt cele mai puternice explozii din univers. Au fost detectați pentru prima dată la sfârșitul anilor 1960 de sateliții americani lansați pentru a supraveghea URSS. Americanii erau îngrijorați că rușii ar putea continua să testeze arme atomice, în ciuda semnării Tratatului de interzicere a testelor nucleare din 1963.

Acum, detectăm aproximativ un GRB pe zi și se află mereu în galaxii îndepărtate. Astrofizicienii s-au chinuit să le explice, venind cu diferite ipoteze. Au fost atât de multe cercetări în acest sens încât până în anul 2.000, în medie 1,5 articole despre GRB au fost publicate zilnic în reviste științifice.

Au fost multe cauze diferite propuse. Unii au crezut că GRB-urile ar putea fi eliberate atunci când cometele se ciocnesc de stele neutronice. Alții au crezut că ar putea proveni din stele masive care se prăbușesc pentru a deveni găuri negre. De fapt, oamenii de știință s-au întrebat dacă quasarii, supernovele, pulsarii și chiar clusterele globulare ar putea fi cauza GRB-urilor sau asociate cu ele cumva.

GRB-urile sunt confuze, deoarece curbele lor de lumină sunt atât de complexe. Nu sunt două identice. Dar astrofizicienii au făcut progrese și au învățat câteva lucruri. GRB-urile de scurtă durată sunt cauzate de fuziunea a două stele neutronice sau de fuziunea unei stele neutronice și a unei găuri negre. GRB-urile cu durată mai lungă sunt cauzate de prăbușirea unei stele masive și formând o gaură neagră.

Noua cercetare în Nature Astronomy a examinat GRB 221009A ultraenergetic, numit „B.O.A.T: Cel mai strălucitor din toate timpurile” și a descoperit ceva surprinzător. Când a fost descoperită inițial, oamenii de știință au spus că a fost cauzată de o stea masivă care s-a prăbușit într-o gaură neagră. Noua cercetare nu contrazice asta. Dar prezintă un nou mister: de ce nu există elemente grele în noua supernova descoperită?

Cercetarea este „Detecția JWST a unei supernove asociată cu GRB 221009A fără o semnătură de proces r”. Autorul principal este Peter Blanchard, un bursier postdoctoral al Centrului de Explorare și Cercetare Interdisciplinară în Astrofizică (CIERA).

„GRB a fost atât de strălucitor încât a ascuns orice semnătură potențială a supernovei în primele săptămâni și luni după a izbucnit”, a spus Blanchard. „În aceste momente, așa-numita strălucire a GRB era ca farurile unei mașini care vin direct spre tine, împiedicându-te să vezi mașina în sine. Așa că, a trebuit să așteptăm ca aceasta să se estompeze semnificativ pentru a ne oferi șansa de a văzând supernova."

"Când am confirmat că GRB a fost generat de prăbușirea unei stele masive, asta ne-a oferit ocazia să testăm o ipoteză despre modul în care se formează unele dintre cele mai grele elemente din univers. ”, a spus autorul principal Blanchard.

„Nu am văzut semnături ale acestor elemente grele, sugerând că GRB-urile extrem de energice precum B.O.A.T nu produc aceste elemente ele, dar este o informație cheie, deoarece continuăm să înțelegem de unde provin aceste elemente grele. Observațiile viitoare cu JWST vor determina dacă verii „normali” B.O.A.T.” produc aceste elemente.”

Oamenii de știință știu că exploziile supernovei formează elemente grele. Sunt o sursă importantă de elemente de la oxigen (numărul atomic 8) la rubidiu (numărul atomic 37) în mediul interstelar. De asemenea, produc elemente mai grele decât atât. Elementele grele sunt necesare pentru a forma planete stâncoase precum Pământul și pentru viața însăși. Dar este important de reținut că astrofizicienii nu înțeleg complet modul în care sunt produse elementele grele.

„Acest eveniment este deosebit de interesant, deoarece unii au emis ipoteza că o explozie luminoasă de raze gamma precum B.O.A.T. ar putea produce multe elemente grele precum aurul și platina”, a declarat al doilea autoare Ashley Villar de la Universitatea Harvard și Centrul pentru Astrofizică | Harvard și Smithsonian. „Dacă ar fi fost corecte, B.O.A.T. ar fi trebuit să fie o mină de aur. Este cu adevărat izbitor că nu am văzut nicio dovadă pentru aceste elemente grele.”

Stelele forjează elemente grele prin nucleosinteză. Trei procese sunt responsabile pentru asta: procesul p, procesul s și procesul r (procesul de captare a protonilor, procesul lent de captare a neutronilor și procesul rapid de captare a neutronilor.) Procesul r captează neutronii mai repede decât s- proces și este responsabil pentru aproximativ jumătate din elementele mai grele decât fierul. Procesul r este, de asemenea, responsabil pentru cei mai stabili izotopi ai acestor elemente grele.

Asta e tot pentru a ilustra importanța procesului r în univers.

Cercetătorii au folosit JWST pentru a ajunge la partea de jos a GRB 221009A. GRB a fost ascuns de Calea Lactee, dar JWST detectează lumina infraroșie și a văzut direct prin gazul și praful Căii Lactee. NIRSpec (spectrograful infraroșu apropiat) al telescopului detectează elemente precum oxigenul și calciul, care se găsesc de obicei în supernove. Dar semnăturile nu erau foarte strălucitoare, o surpriză având în vedere cât de strălucitoare a fost supernova.

„Nu este mai strălucitoare decât supernovele anterioare”, a spus autorul principal Blanchard. „Pare destul de normal în contextul altor supernove asociate cu GRB-uri mai puțin energice. Vă puteți aștepta ca aceeași stea care se prăbușește care produce un GRB foarte energetic și strălucitor să producă și o supernovă foarte energică și strălucitoare. Dar se pare că nu este cazul. Avem acest GRB extrem de luminos, dar o supernovă normală.”

Confirmarea prezenței supernovei a fost un pas important pentru înțelegerea GRB 221009A. Dar lipsa unei semnături a procesului r este încă confuză.

Oamenii de știință au confirmat doar procesul r în fuziunea a două stele neutronice, numită explozie kilonova. Dar există prea puține fuziuni de stele de neutroni pentru a explica abundența elementelor grele.

„Este probabil o altă sursă”, a spus Blanchard. „Este nevoie de foarte mult timp pentru a fuziona stelele binare cu neutroni. Două stele dintr-un sistem binar trebuie mai întâi să explodeze pentru a lăsa în urmă stele cu neutroni. Apoi, poate dura miliarde și miliarde de ani pentru ca cele două stele neutronice să se apropie încet și mai aproape și, în cele din urmă, se îmbină, dar observațiile cu stele foarte vechi indică faptul că părți ale universului au fost îmbogățite cu metale grele înainte ca majoritatea stelelor binare cu neutroni să fi avut timp să fuzioneze. Asta ne indică un canal alternativ Cercetătorii s-au întrebat dacă supernove luminoase ca aceasta pot explica restul. Supernovele au un strat interior unde ar putea fi sintetizate mai multe elemente grele. Dar acel strat este ascuns. Numai după ce lucrurile se calmează, este vizibil stratul interior.

„Materialul explodat al stelei este opac la începuturi, așa că poți vedea doar straturile exterioare”, a spus Blanchard. „Dar odată ce se extinde și se răcește, devine transparent. Apoi poți vedea fotonii care vin din stratul interior al supernovei.”

Toate elementele au semnături spectroscopice, iar NIRSpec-ul JWST este un instrument foarte capabil. . Dar nu a putut detecta elemente mai grele, nici măcar în stratul interior al supernovei.

„La examinarea spectrului B.O.A.T.” nu am văzut nicio semnătură a elementelor grele, ceea ce sugerează că evenimentele extreme precum GRB 221009A nu sunt surse primare”, a spus autorul principal Blanshard. „Acesta este o informație crucială, deoarece am continuați să încercați să aflați unde se formează cele mai grele elemente.”

Oamenii de știință sunt încă nesiguri în privința GRB și a lipsei sale de elemente grele. Dar există o altă caracteristică care ar putea oferi un indiciu: jeturile.

„Un al doilea loc propus al procesului r este în nucleele de stele masive care se rotesc rapid, care se prăbușesc într-o gaură neagră în creștere, producând condiții similare ca urmare a unei fuziuni BNS”, scriu autorii în lucrarea lor. Simulările teoretice sugerează că fluxurile de disc de acreție în aceste așa-numite „colapsari” pot atinge starea bogată în neutroni necesară pentru ca procesul r să aibă loc.”

Ieșirile de disc de acreție la care se referă cercetătorii sunt jeturi relativiste. Cu cât jeturile sunt mai înguste, cu atât energia lor este mai luminoasă și mai concentrată.

„Este ca și cum ai focaliza fasciculul unei lanterne într-o coloană îngustă, spre deosebire de un fascicul larg care traversează un perete întreg”, Laskar. a spus. „De fapt, acesta a fost unul dintre cele mai înguste jeturi văzute pentru o explozie de raze gamma până acum, ceea ce ne oferă o idee despre motivul pentru care strălucirea ulterioară a apărut la fel de strălucitoare ca și ea. Pot fi și alți factori responsabili, o întrebare care cercetătorii vor studia anii următori.”

Cercetătorii au folosit, de asemenea, NIRSpec pentru a aduna un spectru din galaxia gazdă a GRB. Are cea mai scăzută metalitate dintre toate galaxiile despre care se știe că găzduiește un GRB. Ar putea fi acesta un factor?

„Acesta este unul dintre mediile cu cea mai scăzută metalitate din orice LGRB, care este o clasă de obiecte care preferă galaxiile cu metalicitate scăzută și, după cunoștințele noastre, este cea mai scăzută metalitate. mediu al unui GRB-SN până în prezent”, scriu autorii în cercetarea lor. „Acest lucru poate sugera că este necesară o metalitate foarte scăzută pentru a produce un GRB foarte energetic.”

„Spectrul prezintă semne de formare a stelei, sugerând că mediul de naștere al stelei originale poate fi diferit de evenimentele anterioare, „, a spus Blanshard.

Yijia Li este student absolvent la Penn State și co-autor al lucrării. „Acesta este un alt aspect unic al B.O.A.T. care poate ajuta la explicarea proprietăților sale”, a spus Li. „Energia eliberată în B.O.A.T. a fost complet în afara topurilor, unul dintre cele mai energice evenimente pe care oamenii le-au văzut vreodată. Faptul că pare să se nască și din gaz aproape primordial poate fi un indiciu important pentru înțelegerea proprietăților sale superlative. „

Acesta este un alt caz în care rezolvarea unui mister duce la altul fără răspuns. JWST a fost lansat pentru a răspunde la unele dintre întrebările noastre fundamentale despre univers. Confirmând că o supernovă se află în spatele celui mai puternic GRB detectat vreodată, și-a îndeplinit o parte din treabă.

Dar a găsit și un alt mister și ne-a lăsat din nou agățați.

JWST funcționează conform intenției.

(Fluierul)