Na een reis van ongeveer twee miljard jaar raakten fotonen van een extreem energetische gammastraaluitbarsting (GRB) op 9 oktober 2022 de sensoren van het Neil Gehrels Swift Observatorium en de Fermi Gamma-Ray Ruimtetelescoop. De GRB duurde zeven minuten, maar was veel langer zichtbaar. Zelfs amateurastronomen zagen de krachtige uitbarsting in zichtbare frequenties.

Het was zo krachtig dat het de atmosfeer van de aarde aantastte, een opmerkelijke prestatie op iets meer dan twee miljard lichtjaar afstand. Het is de helderste GRB die ooit is waargenomen, en sindsdien hebben astrofysici naar de bron ervan gezocht.

NASA zegt dat GRB's de krachtigste explosies in het universum zijn. Ze werden voor het eerst ontdekt eind jaren zestig door Amerikaanse satellieten die werden gelanceerd om de USSR in de gaten te houden. De Amerikanen waren bezorgd dat de Russen atoomwapens zouden blijven testen ondanks de ondertekening van het Kernstopverdrag uit 1963.

Nu detecteren we dagelijks ongeveer één GRB, en die bevinden zich altijd in verre sterrenstelsels. Astrofysici hadden moeite om ze uit te leggen en kwamen met verschillende hypothesen. Er werd zo veel onderzoek naar gedaan dat er tegen het jaar 2000 dagelijks gemiddeld 1,5 artikelen over GRB's in wetenschappelijke tijdschriften werden gepubliceerd.

Er waren veel verschillende voorgestelde oorzaken. Sommigen dachten dat GRB's zouden kunnen vrijkomen als kometen in botsing zouden komen met neutronensterren. Anderen dachten dat ze afkomstig konden zijn van massieve sterren die instortten en zwarte gaten werden. Wetenschappers vroegen zich zelfs af of quasars, supernova's, pulsars en zelfs bolvormige sterrenhopen de oorzaak zouden kunnen zijn van GRB's of er op de een of andere manier mee in verband zouden kunnen worden gebracht.

GRB's zijn verwarrend omdat hun lichtcurven zo complex zijn. Geen twee zijn identiek. Maar astrofysici hebben vooruitgang geboekt en ze hebben een paar dingen geleerd. Kortdurende GRB's worden veroorzaakt door de samensmelting van twee neutronensterren of de samensmelting van een neutronenster en een zwart gat. GRB's met een langere duur worden veroorzaakt doordat een massieve ster instort en een zwart gat vormt.

Nieuw onderzoek in Natuurastronomie onderzocht de ultra-energetische GRB 221009A, genaamd de "B.O.A.T:Brightest Of All Time", en ontdekte iets verrassends. Toen het voor het eerst werd ontdekt, zeiden wetenschappers dat het werd veroorzaakt door het instorten van een massieve ster in een zwart gat. Het nieuwe onderzoek spreekt dat niet tegen. Maar het presenteert een nieuw mysterie:waarom zijn er geen zware elementen in de nieuw ontdekte supernova?

Het onderzoek is "JWST-detectie van een supernova geassocieerd met GRB 221009A zonder een r-processignatuur." De hoofdauteur is Peter Blanchard, een postdoctoraal fellow van het Center for Interdisciplinaire Exploratie en Onderzoek in Astrofysica (CIERA).

"De GRB was zo helder dat hij in de eerste weken en maanden na de uitbarsting elke potentiële supernovasignatuur verduisterde", zei Blanchard. "Op zulke momenten leek het zogenaamde nagloeien van de GRB op de koplampen van een auto die recht op je afkwam, waardoor je de auto zelf niet kon zien. We moesten dus wachten tot het aanzienlijk vervaagde om ons een kans te geven het zien van de supernova."

"Toen we bevestigden dat de GRB werd gegenereerd door de ineenstorting van een massieve ster, gaf dat ons de kans om een ​​hypothese te testen over hoe enkele van de zwaarste elementen in het universum worden gevormd", zegt hoofdauteur Blanchard.

"We hebben geen handtekeningen van deze zware elementen gezien, wat suggereert dat extreem energieke GRB's zoals de B.O.A.T. deze elementen niet produceren. Dat betekent niet dat alle GRB's ze niet produceren, maar het is een belangrijk stukje informatie zoals we blijven begrijpen waar deze zware elementen vandaan komen. Toekomstige observaties met JWST zullen uitwijzen of de 'normale' neven van de B.O.A.T deze elementen produceren."

Wetenschappers weten dat supernova-explosies zware elementen vormen. Ze zijn een belangrijke bron van elementen, van zuurstof (atoomnummer 8) tot rubidium (atoomnummer 37) in het interstellaire medium. Ze produceren ook zwaardere elementen dan dat. Zware elementen zijn nodig om rotsachtige planeten zoals de aarde te vormen en voor het leven zelf. Maar het is belangrijk op te merken dat astrofysici niet helemaal begrijpen hoe zware elementen worden geproduceerd.

"Deze gebeurtenis is bijzonder opwindend omdat sommigen hadden verondersteld dat een lichtgevende gammastraaluitbarsting zoals de B.O.A.T. veel zware elementen zoals goud en platina zou kunnen maken", zegt tweede auteur Ashley Villar van de Harvard University en het Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian. "Als ze gelijk hadden, had de B.O.A.T. een goudmijn moeten zijn. Het is werkelijk opvallend dat we geen enkel bewijs voor deze zware elementen hebben gezien."

Sterren smeden zware elementen door nucleosynthese. Daar zijn drie processen verantwoordelijk voor:het p-proces, het s-proces en het r-proces (protonenvangstproces, langzame neutronenvangstproces en het snelle neutronenvangstproces). Het r-proces vangt neutronen sneller op dan de s- proces en is verantwoordelijk voor ongeveer de helft van de elementen zwaarder dan ijzer. Het r-proces is ook verantwoordelijk voor de meest stabiele isotopen van deze zware elementen.

Dat is alles om het belang van het r-proces in het universum te illustreren.

De onderzoekers gebruikten de JWST om GRB 221009A te doorgronden. De GRB werd verduisterd door de Melkweg, maar de JWST neemt infrarood licht waar en keek dwars door het gas en het stof van de Melkweg heen. De NIRSpec (nabij-infraroodspectrograaf) van de telescoop detecteert elementen zoals zuurstof en calcium, die meestal voorkomen in supernova's. Maar de handtekeningen waren niet erg helder, een verrassing als je bedenkt hoe helder de supernova was.

"Het is niet helderder dan eerdere supernova's", zei hoofdauteur Blanchard. ‘Het ziet er redelijk normaal uit in de context van andere supernova’s die geassocieerd worden met minder energetische GRB’s. Je zou verwachten dat dezelfde instortende ster die een zeer energetische en heldere GRB produceert, ook een zeer energieke en heldere supernova zou produceren. Maar dat blijkt niet het geval te zijn. We hebben deze extreem lichtgevende GRB, maar een normale supernova."

Het bevestigen van de aanwezigheid van de supernova was een grote stap in het begrijpen van GRB 221009A. Maar het ontbreken van een r-processignatuur is nog steeds verwarrend.

Wetenschappers hebben alleen het r-proces bevestigd bij de samensmelting van twee neutronensterren, een zogenaamde kilonova-explosie. Maar er zijn te weinig fusies van neutronensterren om de overvloed aan zware elementen te verklaren.