Astronomowie ustalili, co wywołało najpotężniejszy rozbłysk gamma w historii

W październiku 2022 roku obserwatoria na całym świecie zarejestrowały najsilniejszy rozbłysk gamma w historii. Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) astronomowie ustalili, że rozbłysk powstał w wyniku supernowej, ale w toku badań natknęli się na kolejne zagadki.

9 października 2022 roku przez 7 minut wysokoenergetyczne fotony z gigantycznej eksplozji oddalonej o ponad dwa miliardy lat świetlnych wstrząsnęły atmosferą Ziemi. Zdarzenie to, zwane rozbłyskiem promieni gamma (GRB - Gamma Ray Burst), było dziesiątki razy jaśniejsze od poprzedniego rekordzisty i zostało nazwane przez badaczy B.O.A.T. (skrót od the brightest of all time - najjaśniejszy w historii). Poza pokazem świetlnym eksplozja ta zjonizowała także atomy w górnych warstwach atmosfery. Gdyby podobna eksplozja zdarzyła się bliżej, mogłaby potencjalnie zaszkodzić życiu na Ziemi.

Astronomowie nie byli do końca pewni, co spowodowało ten GRB oznaczony jako GRB 221009A. Tego typu eksplozje świecą tak intensywnie, jak jasna gwiazda w Drodze Mlecznej, mimo że są miliardy razy bardziej odległe. Aby wyrzucić tak dużo energii na miliardy lat świetlnych, GRB muszą być naprawdę potężne. Astronomowie sądzą, że część z tego typu eksplozji może pochodzić z supernowych, czyli eksplodujących gwiazd, które dokonały swojego żywota i zapadły się w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę.

Nowe ustalenia, dokonane z pomocą teleskopu Jamesa Webba, wskazują, że źródłem wybuchu był rodzaj supernowej zwanej kolapsarem. Masywna, szybko rotująca gwiazda, której skończyło się paliwo zapadła się, wyrzucając swoje zewnętrzne warstwy w przestrzeń, po czym zniknęła w czarnej dziurze. Ekstremalne warunki panujące w kolapsarach powinny pozwolić na wyprodukowanie najcięższych pierwiastków występujących w przyrodzie, takich jak uran, platyna czy złoto. Biorąc pod uwagę jasność tej eksplozji, uczeni spodziewali się, że w zgliszczach po gwieździe znajdą ślady tych pierwiastków. Jednak nic takiego nie dostrzeżono.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature Astronomy" (DOI: 10.1038/s41550-024-02237-4).

- Kiedy potwierdziliśmy, że ten GRB powstał w wyniku zapadnięcia się masywnej gwiazdy, dało nam to możliwość przetestowania hipotezy dotyczącej powstawania niektórych z najcięższych pierwiastków we Wszechświecie – powiedział Peter Blanchard z Northwestern University, który kierował badaniami. - Ale nie dostrzegliśmy sygnatur ciężkich pierwiastków, co sugeruje, że niezwykle energetyczne GRB, takie jak B.O.A.T., nie wytwarzają ciężkich pierwiastków – dodał.

Potężna eksplozja miała miejsce w odległości około 2,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi, z kierunku gwiazdozbioru Strzelca i trwała kilkaset sekund. Astronomowie byli zaskoczeni siłą zjawiska.

- W wyniku zdarzenia wyemitowano fotony o największej energii, jakie kiedykolwiek zarejestrowały satelity zaprojektowane do wykrywania promieni gamma – powiedział Blanchard. - To było wydarzenie, które Ziemia widzi raz na 10 tys. lat. Mamy szczęście, że żyjemy w czasach, gdy dysponujemy technologią umożliwiającą wykrywanie takich rozbłysków zachodzących w całym Wszechświecie. Obserwowanie tak rzadkiego zjawiska astronomicznego jak B.O.A.T. i badania nad zrozumieniem fizyki stojącej za tym wyjątkowym wydarzeniem jest niezwykle ekscytujące – dodał.

Astronomowie musieli poczekać nieco z obserwacjami. Dopiero około sześć miesięcy po zdarzeniu skierowali na źródło czujne oko JWST. - GRB był tak jasny, że przesłonił wszelkie potencjalne sygnatury supernowej w pierwszych tygodniach i miesiącach po wybuchu. Krótko po zdarzeniu poświata GRB przypominała reflektory samochodu jadącego prosto na Ciebie i uniemożliwiała dostrzeżenie samego samochodu. Musieliśmy więc poczekać, aż osłabnie, aby dać nam szansę zobaczenia supernowej – powiedział Blanchard.

Badacze skorzystali ze spektrografu bliskiej podczerwieni na JWST do obserwacji światła obiektu w zakresie fal podczerwonych. Wtedy właśnie zauważyli charakterystyczną sygnaturę pierwiastków, takich jak wapń i tlen, zwykle występujących w supernowych. Co zaskakujące, sama supernowa nie okazała się jakoś specjalnie jasna, skąd zatem tak niesamowicie jasny GRB, który jej towarzyszył?

- Wygląda całkiem normalnie w kontekście innych supernowych związanych z mniej energetycznymi GRB. Można się spodziewać, że ta sama zapadająca się gwiazda wytwarzająca bardzo energetyczny i jasny GRB wytworzy także bardzo energetyczną i jasną supernową. Okazuje się jednak, że tak nie jest – powiedział Blanchard.

Po potwierdzeniu, że B.O.A.T. Był wynikiem supernowej, Blanchard i jego współpracownicy zaczęli szukać dowodów na obecność w jej pozostałościach ciężkich pierwiastków. Astrofizycy mają niepełny obraz wszystkich mechanizmów we Wszechświecie, które mogą wytwarzać pierwiastki cięższe od żelaza.

Podstawowym mechanizmem wytwarzania ciężkich pierwiastków jest tzw. proces r, (z j. ang. r-process, rapid neutron captures process). Jak dotąd astrofizycy potwierdzili produkcję ciężkich pierwiastków w tym procesie jedynie podczas łączenia się dwóch gwiazd neutronowych – kolizji wykrytej przez LIGO w 2017 r. Ale twierdzą, że muszą istnieć inne sposoby wytwarzania takich pierwiastków. We Wszechświecie jest po prostu za dużo ciężkich pierwiastków, a za mało połączeń gwiazd neutronowych. Do tego fuzje gwiazd neutronowych są zbyt rzadkie, aby mogły być głównym źródłem ciężkich pierwiastków.

- Prawdopodobnie istnieje inne źródło. Łączenie się gwiazd neutronowych zajmuje bardzo dużo czasu. Jednak obserwacje bardzo starych gwiazd wskazują, że niektóre części Wszechświata zostały wzbogacone w metale ciężkie, zanim większość gwiazd neutronowych zdążyła się połączyć. To wskazuje nam alternatywny kanał – powiedział Blanchard.

Astrofizycy postawili hipotezę, że ciężkie pierwiastki mogą również powstać w wyniku zapadnięcia się szybko wirującej, masywnej gwiazdy – dokładnie tego typu gwiazdy, która wygenerowała B.O.A.T.

- Różne pierwiastki absorbują i emitują fotony o różnych długościach fal, w zależności od ich struktury atomowej, nadając każdemu pierwiastkowi unikalną sygnaturę widmową. Dlatego spojrzenie na widmo obiektu może nam powiedzieć, jakie pierwiastki są w nim obecne. Po zbadaniu widma B.O.A.T. nie zaobserwowaliśmy żadnych sygnatur ciężkich pierwiastków, co sugeruje, że ekstremalne zdarzenia, takie jak GRB 221009A, nie są źródłami pierwotnymi. To kluczowa informacja, ponieważ nadal próbujemy określić, gdzie powstają najcięższe pierwiastki – wyjaśnił Blanchard.

Aby odróżnić światło supernowej od jasnej poświaty, która pojawiła się przed nią, badacze połączyli dane JWST z obserwacjami z Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) w Chile. - Połączenie danych z obu teleskopów pomogło nam dokładnie zmierzyć jasność poświaty w czasie obserwacji JWST i pozwoliło nam dokładnie wyodrębnić widmo supernowej - powiedział Tanmoy Laskar z University of Utah, współautor publikacji.

Chociaż astrofizycy muszą jeszcze odkryć, w jaki sposób ta sama gwiazda wytworzyła "normalną" supernową i rekordowo jasny GRB, Laskar stwierdził, że może to być powiązane z kształtem i strukturą relatywistycznych dżetów. Szybko rotujące masywne gwiazdy zapadają się w czarne dziury, wytwarzając strumienie materiału, które wystrzeliwują z prędkością bliską prędkości światła. Jeśli te strumienie są wąskie, wytwarzają bardziej skupioną i jaśniejszą wiązkę światła.

- To jak skupienie światła latarki. W rzeczywistości był to jeden z najwęższych dżetów zaobserwowanych dotychczas w przypadku rozbłysku gamma, co daje nam wskazówkę, dlaczego poświata wydawała się tak jasna, jak była. Mogą za to odpowiadać również inne czynniki. Naukowcy będą badać tę kwestię przez wiele lat – przyznał Laskar.