In oktober 2022 observeerde een internationaal team van onderzoekers, waaronder astrofysici van de Northwestern University, de helderste gammastraaluitbarsting (GRB) ooit gemeten:GRB 221009A.

Nu heeft een door het Noordwesten geleid team bevestigd dat het fenomeen dat verantwoordelijk is voor de historische uitbarsting – de B.O.A.T. ("helderste aller tijden") - is de ineenstorting en daaropvolgende explosie van een massieve ster. Het team ontdekte de explosie, oftewel supernova, met behulp van NASA's James Webb Space Telescope (JWST).

Terwijl deze ontdekking het ene mysterie oplost, wordt een ander mysterie dieper.

De onderzoekers speculeerden dat bewijs van zware elementen, zoals platina en goud, zich in de nieuw ontdekte supernova zouden kunnen bevinden. De uitgebreide zoektocht heeft echter niet de signatuur gevonden die bij dergelijke elementen hoort. De oorsprong van zware elementen in het universum blijft een van de grootste open vragen van de astronomie.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy .

"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 Peter Blanchard van Northwestern, die de studie leidde.

"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."

Geboorte van de B.O.A.T.

Toen zijn licht op 9 oktober 2022 over de aarde spoelde, werd de B.O.A.T. was zo helder dat het de meeste gammastralingsdetectoren ter wereld verzadigde. De krachtige explosie vond plaats op ongeveer 2,4 miljard lichtjaar afstand van de aarde, in de richting van het sterrenbeeld Sagitta, en duurde een paar honderd seconden. Terwijl astronomen hun uiterste best deden om de oorsprong van dit ongelooflijk heldere fenomeen te observeren, werden ze onmiddellijk getroffen door een gevoel van ontzag.

"Zolang we GRB's hebben kunnen detecteren, lijdt het geen twijfel dat deze GRB de helderste is die we ooit hebben gezien, met een factor 10 of meer", zegt Wen-fai Fong, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Weinberg in Northwestern. College of Arts and Sciences en lid van CIERA, zei destijds.

"De gebeurtenis produceerde enkele van de fotonen met de hoogste energie die ooit zijn geregistreerd door satellieten die zijn ontworpen om gammastraling te detecteren," zei Blanchard. ‘Dit was een gebeurtenis die de aarde maar eens in de 10.000 jaar meemaakt. We hebben het geluk dat we in een tijd leven waarin we de technologie hebben om deze uitbarstingen in het hele universum te detecteren. Het is zo opwindend om zo’n zeldzaam astronomisch fenomeen als de B.O.A.T. werk om de fysica achter deze uitzonderlijke gebeurtenis te begrijpen."

Een 'normale' supernova

In plaats van de gebeurtenis onmiddellijk te observeren, wilden Blanchard, zijn naaste medewerker Ashley Villar van de Harvard University en hun team de GRB in de latere fasen bekijken. Ongeveer zes maanden nadat de GRB voor het eerst werd ontdekt, gebruikte Blanchard de JWST om de nasleep ervan te onderzoeken.

"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."

Blanchard gebruikte de Near Infrared Spectrograph van de JWST om het licht van het object op infrarode golflengten waar te nemen. Toen zag hij de karakteristieke signatuur van elementen als calcium en zuurstof die doorgaans in een supernova voorkomen. Verrassend genoeg was het niet uitzonderlijk helder, zoals de ongelooflijk heldere GRB die ermee gepaard ging.

"Het is niet helderder dan eerdere supernova's", zei 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."

Ontbreekt:zware elementen

Nadat Blanchard en zijn medewerkers voor het eerst de aanwezigheid van de supernova hadden bevestigd, zochten ze naar bewijs van zware elementen erin. Momenteel hebben astrofysici een onvolledig beeld van alle mechanismen in het universum die elementen kunnen produceren die zwaarder zijn dan ijzer.

Het primaire mechanisme voor de productie van zware elementen, het snelle neutronenvangstproces, vereist een hoge concentratie neutronen. Tot nu toe hebben astrofysici de productie van zware elementen via dit proces alleen bevestigd bij de samensmelting van twee neutronensterren, een botsing die in 2017 werd gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Maar wetenschappers zeggen dat er andere manieren moeten zijn om deze ongrijpbare materialen te produceren. Er zijn simpelweg te veel zware elementen in het heelal en te weinig neutronensterfusies.

"Er is waarschijnlijk een andere bron", zei Blanchard. ‘Het duurt heel lang voordat binaire neutronensterren samensmelten. Twee sterren in een dubbelstersysteem moeten eerst exploderen om neutronensterren achter te laten. Vervolgens kan het miljarden en miljarden jaren duren voordat de twee neutronensterren langzaam dichterbij komen en dichterbij en uiteindelijk samenvoegen.

"Maar waarnemingen van zeer oude sterren geven aan dat delen van het universum verrijkt waren met zware metalen voordat de meeste binaire neutronensterren de tijd hadden gehad om samen te smelten. Dat wijst ons op een alternatief kanaal."

Astrofysici hebben de hypothese geopperd dat zware elementen ook zouden kunnen worden geproduceerd door de ineenstorting van een snel draaiende, massieve ster – precies het type ster dat de B.O.A.T. heeft voortgebracht. Met behulp van het infraroodspectrum verkregen door de JWST bestudeerde Blanchard de binnenste lagen van de supernova, waar de zware elementen zouden moeten worden gevormd.

‘Het geëxplodeerde materiaal van de ster is in vroege tijden ondoorzichtig, dus je kunt alleen de buitenste lagen zien’, zegt Blanchard. "Maar zodra het uitzet en afkoelt, wordt het transparant. Dan kun je de fotonen uit de binnenste laag van de supernova zien komen."

"Bovendien absorberen en zenden verschillende elementen fotonen uit op verschillende golflengten, afhankelijk van hun atomaire structuur, waardoor elk element een unieke spectrale signatuur krijgt", legt Blanchard uit. "Daarom kan het kijken naar het spectrum van een object ons vertellen welke elementen aanwezig zijn. Bij onderzoek van het spectrum van de B.O.A.T. hebben we geen enkele signatuur van zware elementen gezien, wat erop wijst dat extreme gebeurtenissen zoals GRB 221009A geen primaire bronnen zijn. Dit is cruciale informatie omdat we blijven proberen vast te stellen waar de zwaarste elementen worden gevormd."

Waarom zo helder?

Om het licht van de supernova te onderscheiden van dat van de heldere nagloed die eraan voorafging, combineerden de onderzoekers de JWST-gegevens met waarnemingen van de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chili.

"Zelfs enkele maanden nadat de uitbarsting werd ontdekt, was de nagloed helder genoeg om veel licht bij te dragen in de JWST-spectra", zegt Tanmoy Laskar, assistent-professor natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Utah en co-auteur van de studie. studeren.

"Door de gegevens van de twee telescopen te combineren, konden we precies meten hoe helder de nagloed was ten tijde van onze JWST-waarnemingen en konden we zorgvuldig het spectrum van de supernova bepalen."

Hoewel astrofysici nog moeten ontdekken hoe een ‘normale’ supernova en een recordbrekende GRB werden geproduceerd door dezelfde ingestorte ster, zei Laskar dat dit verband zou kunnen houden met de vorm en structuur van de relativistische jets. Wanneer ze snel ronddraaien, storten massieve sterren in tot zwarte gaten. Ze produceren jets van materiaal die lanceren met een snelheid die dicht bij de snelheid van het licht ligt. Als deze jets smal zijn, produceren ze een meer gerichte en helderdere lichtstraal.

"Het is alsof je de straal van een zaklamp in een smalle kolom concentreert, in tegenstelling tot een brede straal die over een hele muur spoelt", zei Laskar. ‘In feite was dit een van de smalste jets die tot nu toe voor een gammaflits zijn waargenomen, wat ons een idee geeft waarom de nagloed zo helder leek. Er kunnen ook andere factoren verantwoordelijk zijn, een vraag die onderzoekers zullen er nog jaren onderzoek naar doen."

Aanvullende aanwijzingen kunnen ook afkomstig zijn uit toekomstige studies van de melkweg waarin de B.O.A.T. heeft plaatsgevonden. "Naast een spectrum van de B.O.A.T. zelf, hebben we ook een spectrum van zijn 'gastheer'-stelsel verkregen," zei Blanchard. ‘Het spectrum vertoont tekenen van intense stervorming, wat erop wijst dat de geboorteomgeving van de oorspronkelijke ster mogelijk anders is dan eerdere gebeurtenissen.’

Teamlid Yijia Li, een afgestudeerde student aan Penn State, modelleerde het spectrum van het sterrenstelsel en ontdekte dat het gaststelsel van de B.O.A.T. de laagste metalliciteit heeft, een maatstaf voor de overvloed aan elementen zwaarder dan waterstof en helium, van alle voorgaande GRB-gastheren. sterrenstelsels. "Dit is een ander uniek aspect van de B.O.A.T. dat de eigenschappen ervan kan helpen verklaren," zei Li.

Dit werk is gebaseerd op waarnemingen gedaan met de NASA/ESA/CSA James Webb ruimtetelescoop.

Blanchard is een postdoctoraal onderzoeker bij het Northwestern's Centre for Interdisciplinaire Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), waar hij superlumineuze supernova's en GRB's bestudeert. Bij de studie zijn co-auteurs van het Centrum voor Astrofysica | betrokken Harvard &Smithsonian; Universiteit van Utah; Penn-staat; Universiteit van California, Berkeley; Radbound Universiteit in Nederland; Wetenschappelijk Instituut voor Ruimtetelescopen; Universiteit van Arizona/Steward Observatorium; Universiteit van Californië, Santa Barbara; Columbia Universiteit; Flatiron Instituut; Universiteit van Greifswald en de Universiteit van Guelph.

Meer informatie: JWST-detectie van een supernova geassocieerd met GRB 221009A zonder een r-processignatuur', Natuurastronomie (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4

Journaalinformatie: Natuurastronomie

Aangeboden door Northwestern University