Nakon putovanja koje je trajalo oko dve milijarde godina, fotoni iz izuzetno energičnog gama-zraka (GRB) udarili su u senzore na opservatoriji Neil Gehrels Svift i Fermi svemirskom teleskopu gama zraka 9. oktobra 2022. GRB je trajao sedam minuta, ali bila vidljiva mnogo duže. Čak su i astronomi amateri uočili moćan prasak na vidljivim frekvencijama.
Bio je toliko moćan da je uticao na Zemljinu atmosferu, izuzetan podvig za nešto više od dve milijarde svetlosnih godina od nas. To je najsjajniji GRB ikada primećen, i od tada astrofizičari traže njegov izvor.
NASA kaže da su GRB najmoćnije eksplozije u svemiru. Prvi put su otkriveni kasnih 1960-ih od strane američkih satelita lansiranih da drže na oku SSSR. Amerikanci su bili zabrinuti da bi Rusi mogli nastaviti da testiraju atomsko oružje uprkos potpisivanju Ugovora o zabrani nuklearnih proba iz 1963. godine.
Sada detektujemo oko jedan GRB dnevno, a oni su uvek u udaljenim galaksijama. Astrofizičari su se trudili da ih objasne, iznoseći različite hipoteze. Bilo je toliko istraživanja o njima da je do 2000. godine u naučnim časopisima dnevno objavljivano u proseku 1,5 članaka o GRB.
Bilo je mnogo različitih predloženih uzroka. Neki su mislili da bi se GRB-ovi mogli osloboditi kada se komete sudare sa neutronskim zvezdama. Drugi su mislili da mogu nastati od masivnih zvezda koje se urušavaju i postaju crne rupe. U stvari, naučnici su se pitali da li kvazari, supernove, pulsari, pa čak i globularna jata mogu biti uzrok GRB-a ili na neki način povezani sa njima.
GRB-ovi su zbunjujući jer su njihove svetlosne krive tako složene. Ne postoje dva identična. Ali astrofizičari su napredovali i naučili su nekoliko stvari. Kratkotrajni GRB nastaju spajanjem dve neutronske zvezde ili spajanjem neutronske zvezde i crne rupe. Dugotrajni GRB nastaju usled kolapsa masivne zvezde i formiranja crne rupe.
Novo istraživanje u Astronomiji prirode ispitalo je ultra-energetski GRB 221009A, nazvano „B.O.A.T: Najsjajniji svih vremena“, i otkrilo nešto iznenađujuće. Kada je prvobitno otkriven, naučnici su rekli da ga je izazvala masivna zvezda koja se urušila u crnu rupu. Novo istraživanje ne protivreči tome. Ali to predstavlja novu misteriju: zašto u novootkrivenoj supernovi nema teških elemenata?
Istraživanje je „JVST detekcija supernove povezane sa GRB 221009A bez potpisa r-procesa.“ Glavni autor je Peter Blanchard, postdoktorski saradnik Centra za interdisciplinarna istraživanja i istraživanja u astrofizici (CIERA).
„GRB je bio toliko svetao da je zaklonio svaki potencijalni potpis supernove u prvim nedeljama i mesecima nakon praska“, rekao je Blanšar. „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.“
„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 glavni autor Blanšar.
„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.
Naučnici znaju da eksplozije supernove stvaraju teške elemente. Oni su važan izvor elemenata od kiseonika (atomski broj 8) do rubidijuma (atomski broj 37) u međuzvezdanom mediju. Oni takođe proizvode teže elemente od toga. Teški elementi su neophodni za formiranje stenovitih planeta poput Zemlje i za sam život. Ali važno je napomenuti da astrofizičari ne razumeju u potpunosti kako se teški elementi proizvode.
„Ovaj događaj je posebno uzbudljiv jer su neki pretpostavili da bi svetlosni gama zraci poput B.O.A.T.-a mogli da naprave mnogo teških elemenata poput zlata i platine“, rekla je druga autorka Ešli Vilar sa Univerziteta Harvard i Centra za astrofiziku | Harvard & Smithsonian. „Da su bili tačni, B.O.A.T. je trebalo da bude zlatni rudnik. Zaista je upadljivo da nismo videli nikakve dokaze za ove teške elemente.“
Zvezde kuje teške elemente nukleosintezom. Za to su odgovorna tri procesa: p-proces, s-proces i r-proces (proces hvatanja protona, proces sporog hvatanja neutrona i proces brzog hvatanja neutrona.) r-proces hvata neutrone brže od s- proces i odgovoran je za oko polovinu elemenata težih od gvožđa. r-proces je takođe odgovoran za najstabilnije izotope ovih teških elemenata.
To je sve da ilustruje važnost r-procesa u univerzumu.
Istraživači su koristili JVST da bi došli do dna GRB 221009A. GRB je bio zaklonjen Mlečnim putem, ali JVST oseća infracrvenu svetlost i vidi pravo kroz gas i prašinu Mlečnog puta. NIRSpec (bliski infracrveni spektrograf) teleskopa oseća elemente poput kiseonika i kalcijuma, koji se obično nalaze u supernovama. Ali potpisi nisu bili baš sjajni, što je iznenađenje s obzirom na to koliko je supernova bila sjajna.
„Nije ništa svetlije od prethodnih supernova“, rekao je glavni autor Blanchard. „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.“
Potvrda prisustva supernove bila je veliki korak ka razumevanju GRB 221009A. Ali nedostatak potpisa r-procesa je i dalje zbunjujući.
Naučnici su samo potvrdili r-proces spajanja dve neutronske zvezde, nazvan kilonova eksplozija. Ali premalo je spajanja neutronskih zvezda da bi se objasnilo obilje teških elemenata.
„Verovatno postoji još jedan izvor“, rekao je Blanšar. „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 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.
Istraživači su se pitali da li svetleće supernove poput ove mogu objasniti ostalo. Supernove imaju unutrašnji sloj gde bi moglo da se sintetiše više teških elemenata. Ali taj sloj je zamagljen. Tek kada se stvari smire, vidljiv je unutrašnji sloj.
„Eksplodirani materijal zvezde je neproziran u ranim vremenima, tako da možete videti samo spoljne slojeve“, rekao je Blanchard. „Ali kada se jednom proširi i ohladi, postaje providan. Tada možete videti fotone koji dolaze iz unutrašnjeg sloja supernove.“
Svi elementi imaju spektroskopske potpise, a JVST-ov NIRSpec je veoma sposoban instrument. Ali nije mogao da otkrije teže elemente, čak ni u unutrašnjem sloju supernove.
„Kada smo ispitali B.O.A.T. spektar, nismo videli nikakav potpis teških elemenata, što sugeriše da ekstremni događaji poput GRB 221009A nisu primarni izvori“, rekao je glavni autor Blanshard. „Ovo je ključna informacija dok nastavljamo da pokušavamo da utvrdimo gde nastaju najteži elementi“.
Naučnici su još uvek nesigurni u vezi sa GRB-om i njegovim nedostatkom teških elemenata. Ali postoji još jedna karakteristika koja bi mogla da ponudi trag: mlaznice.
„Drugo predloženo mesto r-procesa je u brzo rotirajućim jezgrama masivnih zvezda koje kolabiraju u rastuću crnu rupu, stvarajući slične uslove kao posledice spajanja BNS-a“, pišu autori u svom radu. „Teorijske simulacije sugerišu da odlivi akrecionog diska u ovim takozvanim ‘kolapsarima’ mogu dostići stanje bogato neutronima potrebno za r-proces.“
Izlivi akrecionog diska na koje se istraživači pozivaju su relativistički mlazovi. Što su mlaznice uži, to je njihova energija svetlija i fokusiranija.
„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.“
Istraživači su takođe koristili NIRSpec da sakupe spektar iz GRB-ove galaksije domaćina. Ima najnižu metalnost od bilo koje galaksije za koju se zna da ima GRB. Može li to biti faktor?
„Ovo je jedno od najnižih metalnih okruženja bilo kojeg LGRB-a, što je klasa objekata koji preferiraju galaksije niske metaličnosti, i, prema našim saznanjima, najniže metalno okruženje GRB-SN-a do sada“, pišu autori. u svojim istraživanjima. „Ovo može sugerisati da je za proizvodnju veoma energičnog GRB-a potrebna veoma niska metalnost.“
„Spektar pokazuje znake formiranja zvezda, što nagoveštava da bi okruženje rođenja originalne zvezde moglo biti drugačije od prethodnih događaja“, rekao je Blanšard.
Iijia Li je diplomirani student na Penn State i koautor rada. „Ovo je još jedan jedinstveni aspekt B.O.A.T.-a koji može pomoći da se objasne njegova svojstva“, rekao je Li. „Energija oslobođena u B.O.A.T.-u je bila potpuno van hartija, jedan od najenergetnijih događaja koje su ljudi ikada videli. Činjenica da se takođe čini da je rođena iz skoro prvobitnog gasa može biti važan trag za razumevanje njegovih superlativnih svojstava.“
Ovo je još jedan slučaj gde rešavanje jedne misterije vodi do druge neodgovorene. JVST je pokrenut da odgovori na neka od naših temeljnih pitanja o univerzumu. Potvrđujući da supernova stoji iza najmoćnijeg GRB-a ikada otkrivenog, uradila je deo svog posla.
Ali je takođe pronašla još jednu misteriju i ponovo nas ostavila da visimo.
JVST radi kako je predviđeno.
