После путешествия, продолжавшегося около двух миллиардов лет, 9 октября 2022 года фотоны чрезвычайно энергичного гамма-всплеска (GRB) попали в датчики обсерватории Нила Герельса Свифт и космического гамма-телескопа Ферми. GRB длился семь минут, но было видно гораздо дольше. Даже астрономы-любители заметили мощный всплеск видимых частот.
Он был настолько мощным, что затронул атмосферу Земли, что является выдающимся достижением для объекта, находящегося на расстоянии более двух миллиардов световых лет. Это самый яркий гамма-всплеск, когда-либо наблюдавшийся, и с тех пор астрофизики ищут его источник.
НАСА утверждает, что гамма-всплески — это самые мощные взрывы во Вселенной. Впервые они были обнаружены в конце 1960-х годов американскими спутниками, запущенными для наблюдения за СССР. Американцы были обеспокоены тем, что русские могут продолжать испытания атомного оружия, несмотря на подписание в 1963 году Договора о запрещении ядерных испытаний.
Сейчас мы ежедневно обнаруживаем около одного гамма-всплеска, и они всегда находятся в далеких галактиках. Астрофизики изо всех сил пытались объяснить их, выдвигая разные гипотезы. Их исследований было так много, что к 2000 году в научных журналах ежедневно публиковалось в среднем 1,5 статьи о гамма-всплесках.
Было предложено много разных причин. Некоторые считали, что гамма-всплески могут испускаться при столкновении комет с нейтронными звездами. Другие считали, что они могут появиться из-за коллапса массивных звезд, превратившихся в черные дыры. Фактически, ученые задавались вопросом, могут ли квазары, сверхновые, пульсары и даже шаровые скопления быть причиной гамма-всплесков или каким-то образом связаны с ними.
GRB сбивают с толку, потому что их кривые блеска очень сложны. Нет двух одинаковых. Но астрофизики добились прогресса и узнали кое-что. Короткие гамма-всплески возникают в результате слияния двух нейтронных звезд или слияния нейтронной звезды и черной дыры. Более длительные гамма-всплески вызваны коллапсом массивной звезды и образованием черной дыры.
Новое исследование в журнале Nature изучило сверхэнергичный GRB 221009A, получивший название «ЛОДКА: самая яркая всех времен», и обнаружило кое-что удивительное. Когда это было первоначально обнаружено, ученые заявили, что оно было вызвано коллапсом массивной звезды в черную дыру. Новое исследование не противоречит этому. Но это представляет собой новую загадку: почему в недавно открытой сверхновой нет тяжелых элементов?
Исследование называется «Обнаружение JWST сверхновой, связанной с GRB 221009A, без сигнатуры r-процесса». Ведущий автор — Питер Бланшар, постдокторант Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA).
«Вспышка GRB была настолько яркой, что скрывала любые потенциальные признаки сверхновой в первые недели и месяцы после вспышки», — сказал Бланшар. «В эти моменты так называемое послесвечение гамма-всплеска было похоже на фары автомобиля, едущего прямо на вас, не позволяя вам увидеть саму машину. Поэтому нам пришлось подождать, пока она значительно погаснет, чтобы дать нам шанс увидеть сверхновую».
«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 ведущий автор Бланшар. «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 не все гамма-всплески производят их, но это ключевая информация, поскольку мы продолжаем понимать, откуда берутся эти тяжелые элементы. Будущие наблюдения с помощью JWST определят, производят ли «обычные» родственники ЛОДКИ эти элементы».
Ученые знают, что взрывы сверхновых порождают тяжелые элементы. Они являются важным источником элементов от кислорода (атомный номер 8) до рубидия (атомный номер 37) в межзвездной среде. Они также производят более тяжелые элементы. Тяжелые элементы необходимы для образования каменистых планет, таких как Земля, и для самой жизни. Но важно отметить, что астрофизики до конца не понимают, как производятся тяжелые элементы.
Ученые, естественно, задавались вопросом, будет ли чрезвычайно яркий гамма-всплеск, такой как GRB 221009A, производить еще больше тяжелых элементов. Но это не то, что они нашли.
«Это событие особенно интересно, потому что некоторые выдвинули гипотезу, что светящийся гамма-всплеск, подобный ЛОДКЕ, может создать множество тяжелых элементов, таких как золото и платина», — сказала второй автор Эшли Виллар из Гарвардского университета и Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. «Если бы они были правы, ЛОДКА должна была бы стать золотой жилой. Действительно поразительно, что мы не увидели никаких доказательств существования этих тяжелых элементов».
Звезды создают тяжелые элементы путем нуклеосинтеза. За это ответственны три процесса: p-процесс, s-процесс и r-процесс (процесс захвата протонов, процесс захвата медленных нейтронов и процесс захвата быстрых нейтронов). r-процесс захватывает нейтроны быстрее, чем s- процесс и отвечает за около половины элементов тяжелее железа. R-процесс также отвечает за образование наиболее стабильных изотопов этих тяжелых элементов.
Это все, чтобы проиллюстрировать важность r-процесса во Вселенной.
Исследователи использовали JWST, чтобы разобраться в GRB 221009A. GRB был закрыт Млечным Путем, но JWST улавливает инфракрасный свет и видит сквозь газ и пыль Млечного Пути. NIRSpec телескопа (ближний инфракрасный спектрограф) обнаруживает такие элементы, как кислород и кальций, обычно встречающиеся в сверхновых. Но подписи были не очень яркими, что было неожиданностью, учитывая, насколько яркой была сверхновая.
«Она не ярче предыдущих сверхновых», — сказал ведущий автор 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, давшая очень энергичный и яркий гамма-всплеск, также породит очень энергичную и яркую сверхновую. Но оказывается, что это не так. У нас есть этот чрезвычайно яркий гамма-всплеск, но это обычная сверхновая».
Подтверждение присутствия сверхновой стало большим шагом к пониманию GRB 221009A. Но отсутствие подписи r-процесса по-прежнему сбивает с толку.
Ученые лишь подтвердили r-процесс при слиянии двух нейтронных звезд, получивший название килонового взрыва. Но слияний нейтронных звезд слишком мало, чтобы объяснить обилие тяжелых элементов.
«Вероятно, существует другой источник», — сказал Бланшар. «Слияние двойных нейтронных звезд занимает очень много времени. Две звезды в двойной системе сначала должны взорваться, чтобы оставить после себя нейтронные звезды. Затем двум нейтронным звездам могут потребоваться миллиарды и миллиарды лет, чтобы медленно сближаться и наконец слиться. Но наблюдения за очень старыми звездами показывают, что некоторые части Вселенной были обогащены тяжелыми металлами еще до того, как большинство двойных нейтронных звезд успели слиться. Это указывает нам на альтернативный канал».
Исследователи задались вопросом, могут ли такие яркие сверхновые объяснить все остальное. У сверхновых есть внутренний слой, в котором могут синтезироваться более тяжелые элементы. Но этот слой скрыт. Только после того, как все успокоится, становится виден внутренний слой.
«Взорвавшийся материал звезды на ранних этапах непрозрачен, поэтому вы можете видеть только внешние слои», — сказал Бланшар. «Но как только он расширяется и охлаждается, он становится прозрачным. Тогда вы сможете увидеть фотоны, исходящие из внутреннего слоя сверхновой».
Все элементы имеют спектроскопические характеристики, и NIRSpec JWST — очень эффективный инструмент. Но он не смог обнаружить более тяжелые элементы даже во внутреннем слое сверхновой.
«Изучив спектр BOAT, мы не увидели никаких признаков тяжелых элементов, что позволяет предположить, что экстремальные события, такие как GRB 221009A, не являются первичными источниками», — сказал ведущий автор Бланшард. «Это важная информация, поскольку мы продолжаем пытаться определить, где образуются самые тяжелые элементы».
Ученые до сих пор не уверены в GRB и отсутствии в нем тяжелых элементов. Но есть еще одна особенность, которая может дать подсказку: реактивные самолеты.
«Второй предполагаемый участок r-процесса находится в быстро вращающихся ядрах массивных звезд, которые коллапсируют в аккрецирующую черную дыру, создавая условия, аналогичные последствиям слияния BNS», — пишут авторы в своей статье. «Теоретическое моделирование предполагает, что потоки аккреционного диска в этих так называемых «коллапсарах» могут достичь богатого нейтронами состояния, необходимого для возникновения r-процесса».
«Истечения аккреционного диска», о которых говорят исследователи, представляют собой релятивистские струи. Чем уже струи, тем ярче и сконцентрированнее их энергия.
Могут ли они сыграть роль в создании тяжелых элементов?
«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 подсказку о том, почему послесвечение оказалось таким ярким. Могут быть и другие факторы, ответственные за это, и этот вопрос исследователи будут изучать еще долгие годы».
Исследователи также использовали NIRSpec для получения спектра родительской галактики GRB. У нее самая низкая металличность среди всех известных галактик, в которых есть гамма-всплески. Может ли это быть фактором?
«Это одна из сред с самой низкой металличностью среди всех LGRB, которые представляют собой класс объектов, которые предпочитают галактики с низкой металличностью, и, насколько нам известно, это среда с самой низкой металличностью среди GRB-SN на сегодняшний день», — пишут авторы. в своих исследованиях. «Это может означать, что для образования очень энергичного гамма-всплеска требуется очень низкая металличность».
В родительской галактике также активно формируются звезды. Это еще одна подсказка?
«Спектр показывает признаки звездообразования, намекая на то, что среда рождения исходной звезды может отличаться от предыдущих событий», — сказал Бланшард.
Ицзя Ли — аспирант Пенсильванского университета и соавтор статьи. «Это еще один уникальный аспект ЛОДКИ, который может помочь объяснить ее свойства», — сказал Ли. «Энергия, высвободившаяся в ЛОДКЕ, была совершенно запредельной, это было одно из самых энергичных событий, которые когда-либо видели люди. Тот факт, что он также, по-видимому, рождается из почти первичного газа, может быть важным ключом к пониманию его превосходных свойств».
Это еще один случай, когда разгадка одной загадки приводит к появлению другой, оставшейся без ответа. JWST был запущен, чтобы ответить на некоторые фундаментальные вопросы о Вселенной. Подтвердив, что за самым мощным гамма-всплеском, когда-либо обнаруженным, стоит сверхновая, она выполнила часть своей работы.
Но он также нашел еще одну загадку и снова оставил нас в замешательстве.
JWST работает как положено.
