U oktobru 2022. godine, međunarodni tim istraživača, uključujući astrofizičare sa Univerziteta Nortvestern, primetio je najsjajniji prasak gama zraka (GRB) ikada zabeležen, GRB 221009A.
Sada je tim predvođen Nortvesternom potvrdio da je fenomen odgovoran za istorijski prasak – nazvan B.O.A.T. („najsjajniji svih vremena“)—je kolaps i naknadna eksplozija masivne zvezde. Tim je otkrio eksploziju, ili supernovu, koristeći NASA-in svemirski teleskop Džejms Veb (JVST).
Dok ovo otkriće rešava jednu misteriju, druga misterija se produbljuje.
Istraživači su spekulisali da bi dokazi teških elemenata, kao što su platina i zlato, mogli da se nalaze unutar novootkrivene supernove. Opsežnom pretragom, međutim, nije pronađen potpis koji prati takve elemente. Poreklo teških elemenata u univerzumu i dalje ostaje jedno od najvećih otvorenih pitanja astronomije.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Priroda astronomije.
„Kada smo potvrdili da je GRB nastao kolapsom masivne zvezde, to nam je dalo priliku da testiramo hipotezu o tome kako nastaju neki od najtežih elemenata u univerzumu“, rekao je Piter Blanšard iz Nortvesterna, koji je vodio studiju.
„Nismo videli potpise ovih teških elemenata, što sugeriše da izuzetno energični GRB kao što je B.O.A.T. ne proizvode ove elemente. To ne znači da ih svi GRB ne proizvode, ali to je ključna informacija kako nastavljamo da razumemo odakle dolaze ovi teški elementi Buduća zapažanja sa JVST-om će odrediti da li ‘normalni’ rođaci B.O.A.T.-a proizvode ove elemente.
Kada je njegova svetlost zapljusnula Zemlju 9. oktobra 2022, B.O.A.T. bio toliko svetao da je zasitio većinu svetskih detektora gama zraka. Snažna eksplozija dogodila se otprilike 2,4 milijarde svetlosnih godina od Zemlje, u pravcu sazvežđa Sagitta i trajala je nekoliko stotina sekundi. Dok su se astronomi trudili da posmatraju poreklo ovog neverovatno sjajnog fenomena, odmah su bili pogođeni osećajem strahopoštovanja.
„Sve dok smo bili u mogućnosti da otkrijemo GRB, nema sumnje da je ovaj GRB najsjajniji kome smo ikada bili svedoci sa faktorom od 10 ili više“, Ven-fai Fong, vanredni profesor fizike i astronomije na Nortvestern’s Veinbergu. Koledž umetnosti i nauka i član CIERA-e, rekao je tada.
„Događaj je proizveo neke od fotona najveće energije ikada snimljenih od strane satelita dizajniranih da detektuju gama zrake“, rekao je Blanšard. „Ovo je bio događaj koji Zemlja vidi samo jednom u 10.000 godina. Srećni smo što živimo u vremenu kada imamo tehnologiju za otkrivanje ovih rafala koji se dešavaju širom univerzuma. Tako je uzbudljivo posmatrati tako redak astronomski fenomen kao što je B.O.A.T. i raditi na razumevanju fizike iza ovog izuzetnog događaja.“
Umesto da odmah posmatraju događaj, Blanšard, njegova bliska saradnica Ešli Vilar sa Univerziteta Harvard i njihov tim su želeli da vide GRB tokom njegovih kasnijih faza. Otprilike šest meseci nakon što je GRB prvobitno otkriven, Blanšard je koristio JVST da ispita njegove posledice.
„GRB je bio toliko svetao da je zaklonio svaki potencijalni potpis supernove u prvim nedeljama i mesecima nakon praska“, rekao je Blanšard. „U tim vremenima, takozvani naknadni sjaj GRB-a bio je kao farovi automobila koji idu pravo na vas, sprečavajući vas da vidite sam automobil. Dakle, morali smo da čekamo da značajno izbledi da bismo imali priliku da videti supernovu.“
Blanšard je koristio JVST-ov bliski infracrveni spektrograf da posmatra svetlost objekta na infracrvenim talasnim dužinama. Tada je video karakterističan potpis elemenata poput kalcijuma i kiseonika koji se obično nalaze u supernovi. Iznenađujuće, nije bio izuzetno svetao – kao neverovatno svetao GRB koji je pratio.
„Nije ništa svetlija od prethodnih supernova“, rekao je Blanšard. „Izgleda prilično normalno u kontekstu drugih supernova povezanih sa manje energetskim GRB-ovima. Možete očekivati da će ista zvezda u kolapsu koja proizvodi veoma energičan i svetao GRB takođe proizvesti veoma energičnu i sjajnu supernovu. Ali ispostavilo se da to nije slučaj Imamo ovaj izuzetno blistav GRB, ali normalnu supernovu.“
Nakon što su potvrdili – po prvi put – prisustvo supernove, Blanšard i njegovi saradnici su potom tražili dokaze o teškim elementima u njoj. Trenutno, astrofizičari imaju nepotpunu sliku o svim mehanizmima u univerzumu koji mogu proizvesti elemente teže od gvožđa.
Primarni mehanizam za proizvodnju teških elemenata, proces brzog hvatanja neutrona, zahteva visoku koncentraciju neutrona. Do sada su astrofizičari samo potvrdili proizvodnju teških elemenata putem ovog procesa u spajanju dve neutronske zvezde, sudaru koji je otkrila Gravitaciono-talasna opservatorija laserskog interferometra (LIGO) 2017.
Ali naučnici kažu da moraju postojati drugi načini za proizvodnju ovih neuhvatljivih materijala. Jednostavno ima previše teških elemenata u univerzumu i premalo spajanja neutronskih zvezda.
„Verovatno postoji još jedan izvor“, rekao je Blanšard. „Potrebno je mnogo vremena da se binarne neutronske zvezde spoje. Dve zvezde u binarnom sistemu prvo moraju da eksplodiraju da bi ostavile neutronske zvezde. Zatim, mogu proći milijarde i milijarde godina da se dve neutronske zvezde polako približe i bliže i konačno spojiti.
„Ali zapažanja veoma starih zvezda pokazuju da su delovi univerzuma bili obogaćeni teškim metalima pre nego što je većina binarnih neutronskih zvezda imala vremena da se spoji. To nas upućuje na alternativni kanal.“
Astrofizičari su pretpostavili da bi teški elementi takođe mogli nastati kolapsom masivne zvezde koja se brzo okreće – tačan tip zvezde koji je stvorio B.O.A.T. Koristeći infracrveni spektar dobijen od JVST-a, Blanšard je proučavao unutrašnje slojeve supernove, gde bi trebalo da se formiraju teški elementi.
„Eksplodirani materijal zvezde je neproziran u ranim vremenima, tako da možete videti samo spoljne slojeve“, rekao je Blanšard. „Ali kada se jednom proširi i ohladi, postaje providan. Tada možete videti fotone koji dolaze iz unutrašnjeg sloja supernove.“
„Štaviše, različiti elementi apsorbuju i emituju fotone na različitim talasnim dužinama, u zavisnosti od njihove atomske strukture, dajući svakom elementu jedinstveni spektralni potpis“, objasnio je Blanšard. „Stoga, posmatranje spektra objekta može nam reći koji su elementi prisutni. Nakon ispitivanja spektra B.O.A.T.-a, nismo videli nikakav potpis teških elemenata, što sugeriše da ekstremni događaji poput GRB 221009A nisu primarni izvori. Ovo je ključna informacija jer nastavljamo da pokušavamo da odredimo gde se formiraju najteži elementi.“
Da bi razdvojili svetlost supernove od svetlosti sjajnog naknadnog sjaja koji je došao pre nje, istraživači su uparili podatke JVST sa zapažanjima iz Atakama velikog milimetarskog/submilimetarskog niza (ALMA) u Čileu.
„Čak i nekoliko meseci nakon što je prasak otkriven, naknadni sjaj je bio dovoljno svetao da doprinese puno svetla u JVST spektru“, rekao je Tanmoi Laskar, docent fizike i astronomije na Univerzitetu Juta i koautor na studija.
„Kombinovanje podataka sa dva teleskopa nam je pomoglo da izmerimo tačno koliko je sjaj bio naknadni sjaj u vreme naših JVST posmatranja i omogućilo nam da pažljivo izvučemo spektar supernove.
Iako astrofizičari tek treba da otkriju kako su „normalnu“ supernovu i GRB koja obara rekorde proizvela ista kolabirana zvezda, Laskar je rekao da bi to moglo biti povezano sa oblikom i strukturom relativističkih mlazova. Kada se brzo okreću, masivne zvezde kolabiraju u crne rupe, proizvode mlazove materijala koji se lansiraju brzinom blizu brzine svetlosti. Ako su ovi mlazovi uski, oni proizvode fokusiraniji – i svetliji – snop svetlosti.
„To je kao fokusiranje zraka baterijske lampe u uski stub, za razliku od širokog snopa koji se proteže preko čitavog zida“, rekao je Laskar. „Zapravo, ovo je bio jedan od najužih mlaznica viđenih za rafal gama zraka do sada, što nam daje nagoveštaj zašto je naknadni sjaj izgledao tako sjajan kao što je bio. Možda su i drugi faktori odgovorni, pitanje koje istraživači će proučavati godinama koje dolaze.“
Dodatni tragovi takođe mogu doći iz budućih studija galaksije u kojoj je B.O.A.T. došlo. „Pored spektra same B.O.A.T., dobili smo i spektar njene galaksije ’domaćina’“, rekao je Blanšard. „Spektar pokazuje znake intenzivnog formiranja zvezda, nagoveštavajući da okruženje rođenja originalne zvezde može biti drugačije od prethodnih događaja.
Član tima Iijia Li, diplomirani student na Penn State-u, modelirao je spektar galaksije, otkrivši da galaksija domaćin B.O.A.T.-a ima najnižu metalnost, meru obilja elemenata težih od vodonika i helijuma, od svih prethodnih GRB domaćina. galaksije. „Ovo je još jedan jedinstveni aspekt B.O.A.T.-a koji može pomoći da se objasne njegova svojstva“, rekao je Li.
Ovaj rad je zasnovan na zapažanjima napravljenim sa NASA/ESA/CSA svemirskim teleskopom Džejms Veb.
