Визуализация GRB 221009A, сделанная художником, показывает узкие релятивистские струи, выходящие из центральной черной дыры, которые дали начало гамма-всплеску и расширяющимся остаткам исходной звезды, выброшенной в результате взрыва сверхновой. Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, постдокторант Северо-Западного университета Питер Бланшар и его команда впервые обнаружили сверхновую, подтвердив, что GRB 221009A является результатом коллапса массивной звезды. Соавторы исследования также обнаружили, что это событие произошло в плотной области звездообразования родительской галактики, как показано фоновой туманностью. Фото: Аарон М. Геллер / Northwestern / CIERA / ИТ-исследования в области вычислений и услуг по обработке данных.
В октябре 2022 года международная группа исследователей, в том числе астрофизики Северо-Западного университета, наблюдала самый яркий когда-либо зарегистрированный гамма-всплеск (GRB) GRB 221009A.
Теперь команда под руководством Северо-запада подтвердила, что явление, ответственное за исторический взрыв, получивший название ЛОДКА («самый яркий за все время»), — это коллапс и последующий взрыв массивной звезды. Команда обнаружила взрыв, или сверхновую, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST).
В то время как это открытие раскрывает одну загадку, другая загадка углубляется.
Исследователи предположили, что внутри недавно обнаруженной сверхновой могут находиться свидетельства наличия тяжелых элементов, таких как платина и золото. Однако обширный поиск не обнаружил подписи, сопровождающей такие элементы. Происхождение тяжелых элементов во Вселенной продолжает оставаться одним из самых больших открытых вопросов астрономии.
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
«Когда мы подтвердили, что гамма-всплеск возник в результате коллапса массивной звезды, это дало нам возможность проверить гипотезу о том, как формируются некоторые из самых тяжелых элементов во Вселенной», — сказал Питер Бланшар из Northwestern, возглавлявший исследование.
«Мы не видели следов этих тяжелых элементов, что позволяет предположить, что чрезвычайно энергичные гамма-всплески, такие как BOAT, не производят эти элементы. Это не означает, что все гамма-всплески не производят их, но это ключевая часть информации, которую мы продолжаем понимать. откуда берутся эти тяжелые элементы. Будущие наблюдения с помощью JWST определят, производят ли «обычные» кузены ЛОДКИ эти элементы».
Рождение ЛОДКИ
Когда ее свет омыл Землю 9 октября 2022 года, ЛОДКА была настолько яркой, что засветила большинство детекторов гамма-излучения в мире. Мощный взрыв произошел примерно в 2,4 миллиарда световых лет от Земли, в направлении созвездия Стрелец и длился несколько сотен секунд. Когда астрономы попытались выяснить происхождение этого невероятно яркого явления, их сразу же охватило чувство благоговения.
«Пока мы можем обнаружить гамма-всплески, нет никаких сомнений в том, что этот гамма-всплеск является самым ярким из всех, которые мы когда-либо видели, в 10 или более раз», — Вэнь-Фай Фонг, доцент кафедры физики и астрономии в Вайнбергском университете Северо-Западного университета. Колледж искусств и наук и член CIERA, заявили тогда.
«Это событие произвело фотоны самой высокой энергии, когда-либо зарегистрированные спутниками, предназначенными для обнаружения гамма-лучей», — сказал Бланшар. «Это было событие, которое Земля видит только раз в 10 000 лет. Нам повезло, что мы живем в то время, когда у нас есть технология для обнаружения этих всплесков, происходящих по всей Вселенной. Так интересно наблюдать такое редкое астрономическое явление, как ЛОДКА и постарайтесь понять физику этого исключительного события».
«Обычная» сверхновая
Вместо того, чтобы наблюдать за событием немедленно, Бланшар, его близкий соратник Эшли Виллар из Гарвардского университета и их команда хотели рассмотреть GRB на его более поздних этапах. Примерно через шесть месяцев после первоначального обнаружения гамма-всплеска Бланшар использовал JWST для изучения его последствий.
«Вспышка GRB была настолько яркой, что скрывала любые потенциальные признаки сверхновой в первые недели и месяцы после вспышки», — сказал Бланшар. «В такие моменты так называемое послесвечение гамма-всплеска напоминало фары автомобиля, едущего прямо на вас, не позволяя вам увидеть саму машину. Поэтому нам приходилось ждать, пока оно значительно погаснет, чтобы дать нам возможность увидеть увидеть сверхновую».
Бланшар использовал спектрограф ближнего инфракрасного диапазона JWST, чтобы наблюдать свет объекта в инфракрасных длинах волн. Именно тогда он увидел характерные признаки таких элементов, как кальций и кислород, которые обычно встречаются в сверхновых. Удивительно, но оно не было исключительно ярким, как невероятно яркий гамма-всплеск, который он сопровождал.
«Она не ярче предыдущих сверхновых», — сказал Бланшар. «Это выглядит вполне нормально в контексте других сверхновых, связанных с менее энергичными гамма-всплесками. Можно было бы ожидать, что та же самая коллапсирующая звезда, дающая очень энергичный и яркий гамма-всплеск, также произведет очень энергичную и яркую сверхновую. Но оказывается, что это не так. …У нас есть этот чрезвычайно яркий гамма-всплеск, но это обычная сверхновая».
Отсутствует: Тяжелые элементы
Подтвердив — впервые — наличие сверхновой, Бланшар и его сотрудники начали искать доказательства присутствия в ней тяжелых элементов. В настоящее время астрофизики имеют неполное представление обо всех механизмах во Вселенной, способных производить элементы тяжелее железа.
Основной механизм производства тяжелых элементов — процесс быстрого захвата нейтронов — требует высокой концентрации нейтронов. Пока астрофизики подтвердили образование тяжелых элементов в результате этого процесса только при слиянии двух нейтронных звезд, столкновении, обнаруженном Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2017 году.
Но ученые говорят, что должны быть другие способы производства этих неуловимых материалов. Во Вселенной просто слишком много тяжелых элементов и слишком мало слияний нейтронных звезд.
«Вероятно, существует другой источник», — сказал Бланшар. «Двойным нейтронным звездам требуется очень много времени, чтобы слиться. Две звезды в двойной системе сначала должны взорваться, чтобы оставить после себя нейтронные звезды. Затем могут потребоваться миллиарды и миллиарды лет, чтобы две нейтронные звезды медленно сблизились и ближе и наконец слиться.
«Но наблюдения за очень старыми звездами показывают, что части Вселенной были обогащены тяжелыми металлами до того, как большинство двойных нейтронных звезд успели слиться. Это указывает нам на альтернативный путь».
Астрофизики выдвинули гипотезу, что тяжелые элементы также могут образовываться в результате коллапса быстро вращающейся массивной звезды — именно того типа звезды, которая породила ЛОДКУ. Используя инфракрасный спектр, полученный JWST, Бланшар изучил внутренние слои сверхновой, где находится должны образовываться тяжелые элементы.
«Взорванный материал звезды на ранних этапах непрозрачен, поэтому вы можете видеть только внешние слои», — сказал Бланшар. «Но как только она расширяется и охлаждается, она становится прозрачной. Тогда можно увидеть фотоны, исходящие из внутреннего слоя сверхновой».
«Более того, разные элементы поглощают и излучают фотоны с разными длинами волн, в зависимости от их атомной структуры, что придает каждому элементу уникальную спектральную подпись», — объяснил Бланшар. «Поэтому просмотр спектра объекта может сказать нам, какие элементы присутствуют. Изучив спектр BOAT, мы не увидели никаких признаков тяжелых элементов, что позволяет предположить, что экстремальные события, такие как GRB 221009A, не являются первичными источниками. Это важная информация, поскольку мы продолжаем попытаться определить, где образуются самые тяжелые элементы».
Почему такой яркий?
Чтобы отличить свет сверхновой от яркого послесвечения, которое было до нее, исследователи сопоставили данные JWST с наблюдениями Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA) в Чили.
«Даже через несколько месяцев после открытия вспышки послесвечение было достаточно ярким, чтобы внести много света в спектры JWST», — сказал Танмой Ласкар, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Юты и соавтор исследования. изучать.
«Объединение данных двух телескопов помогло нам точно измерить, насколько ярким было послесвечение во время наших наблюдений JWST, и позволило нам тщательно извлечь спектр сверхновой».
Хотя астрофизикам еще предстоит выяснить, как «нормальная» сверхновая и рекордный гамма-всплеск были произведены одной и той же коллапсирующей звездой, Ласкар считает, что это может быть связано с формой и структурой релятивистских джетов. Когда массивные звезды быстро вращаются, они коллапсируют в черные дыры и производят струи материала, которые разлетаются со скоростью, близкой к скорости света. Если эти струи узкие, они производят более сфокусированный и яркий луч света.
«Это похоже на фокусировку луча фонарика в узкую колонну, а не в широкий луч, который омывает всю стену», — сказал Ласкар. «На самом деле, это была одна из самых узких струй гамма-всплеска, наблюдаемых до сих пор, что дает нам намек на то, почему послесвечение оказалось таким ярким. Могут быть и другие ответственные факторы, вопрос, который исследователи будут учиться еще долгие годы».
Дополнительные подсказки также могут быть получены в результате будущих исследований галактики, в которой произошла ЛОДКА. «Помимо спектра самой ЛОДКИ, мы также получили спектр ее «хозяйской» галактики», — сказал Бланшар. «Спектр демонстрирует признаки интенсивного звездообразования, намекая на то, что среда рождения исходной звезды может отличаться от предыдущих событий».
Член команды Ицзя Ли, аспирант Пенсильванского университета, смоделировал спектр галактики и обнаружил, что родительская галактика BOAT имеет самую низкую металличность (показатель содержания элементов тяжелее водорода и гелия) среди всех предыдущих родительских галактик GRB. «Это еще один уникальный аспект ЛОДКИ, который может помочь объяснить ее свойства», — сказал Ли.
Эта работа основана на наблюдениях, сделанных с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA.
Бланшар — научный сотрудник Северо-западного Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA), где он изучает сверхяркие сверхновые и гамма-всплески. В исследовании участвуют соавторы из Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт; Университет Юты; Пенн Стейт; Калифорнийский университет в Беркли; Университет Рэдбаунда в Нидерландах; Научный институт космического телескопа; Университет Аризоны/Стюардская обсерватория; Калифорнийский университет, Санта-Барбара; Колумбийский университет; Институт Флэтайрона; Университет Грайфсвальда и Университет Гвельфа.
Информация от: Северо-Западным университетом
