Forscher bestätigen, dass der hellste Gammastrahlenausbruch aller Zeiten vom Kollaps eines massereichen Sterns herrührte

Im Oktober 2022 beobachtete ein internationales Forscherteam, darunter Astrophysiker der Northwestern University, den hellsten jemals aufgezeichneten Gammastrahlenausbruch (GRB), GRB 221009A.

Jetzt hat ein von Northwestern geführtes Team bestätigt, dass das Phänomen, das für den historischen Ausbruch verantwortlich ist – der sogenannte BOAT („hellster aller Zeiten“) – der Zusammenbruch und die anschließende Explosion eines massereichen Sterns ist. Das Team entdeckte die Explosion oder Supernova mit dem James Webb Space Telescope (JWST) der NASA.

Während diese Entdeckung ein Rätsel löst, vertieft sich ein anderes Rätsel.

Die Forscher spekulierten, dass sich in der neu entdeckten Supernova Hinweise auf schwere Elemente wie Platin und Gold befinden könnten. Bei der umfangreichen Suche wurde jedoch die Signatur, die solche Elemente begleitet, nicht gefunden. Der Ursprung schwerer Elemente im Universum bleibt weiterhin eine der größten offenen Fragen der Astronomie.

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie.

„Als wir bestätigten, dass der GRB durch den Kollaps eines massereichen Sterns entstanden ist, gab uns das die Gelegenheit, eine Hypothese darüber zu testen, wie einige der schwersten Elemente im Universum entstehen“, sagte Peter Blanchard von Northwestern, der die Studie leitete.

„Wir haben keine Signaturen dieser schweren Elemente gesehen, was darauf hindeutet, dass extrem energiereiche GRBs wie das BOAT diese Elemente nicht produzieren. Das bedeutet nicht, dass nicht alle GRBs sie produzieren, aber es ist eine wichtige Information, wie wir weiterhin verstehen.“ Woher diese schweren Elemente kommen, werden künftige Beobachtungen mit JWST zeigen, ob die „normalen“ Cousins ​​des BOAT diese Elemente produzieren.“

Geburt des BOOTS

Als sein Licht am 9. Oktober 2022 die Erde überflutete, war das BOAT so hell, dass es die meisten Gammastrahlendetektoren der Welt gesättigte. Die gewaltige Explosion ereignete sich etwa 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbildes Sagitta und dauerte einige hundert Sekunden. Als Astronomen sich bemühten, den Ursprung dieses unglaublich hellen Phänomens zu beobachten, waren sie sofort von Ehrfurcht erfüllt.

„Solange es uns gelungen ist, GRBs zu entdecken, besteht kein Zweifel daran, dass dieser GRB um den Faktor 10 oder mehr der hellste ist, den wir je gesehen haben“, Wen-fai Fong, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie am Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences und Mitglied von CIERA, sagte damals.

„Das Ereignis erzeugte einige der energiereichsten Photonen, die jemals von Satelliten zur Erkennung von Gammastrahlen aufgezeichnet wurden“, sagte Blanchard. „Dies war ein Ereignis, das die Erde nur einmal alle 10.000 Jahre erlebt. Wir haben das Glück, in einer Zeit zu leben, in der wir über die Technologie verfügen, um diese Ausbrüche im gesamten Universum zu erkennen. Es ist so aufregend, ein so seltenes astronomisches Phänomen wie BOAT und zu beobachten Wir arbeiten daran, die Physik hinter diesem außergewöhnlichen Ereignis zu verstehen.

Eine „normale“ Supernova

Anstatt das Ereignis sofort zu beobachten, wollten Blanchard, seine enge Mitarbeiterin Ashley Villar von der Harvard University und ihr Team den GRB in seinen späteren Phasen betrachten. Ungefähr sechs Monate nach der ersten Entdeckung des GRB nutzte Blanchard das JWST, um seine Folgen zu untersuchen.

„Der GRB war so hell, dass er in den ersten Wochen und Monaten nach dem Ausbruch jede mögliche Supernova-Signatur verdeckte“, sagte Blanchard. „Zu diesen Zeiten war das sogenannte Nachleuchten des GRB so, als würden die Scheinwerfer eines Autos direkt auf einen zukommen und man konnte das Auto selbst nicht sehen. Wir mussten also warten, bis es deutlich verblasste, um uns eine Chance zu geben.“ die Supernova sehen.“

Blanchard nutzte den Nahinfrarotspektrographen des JWST, um das Licht des Objekts im Infrarotwellenlängenbereich zu beobachten. Dabei erkannte er die charakteristische Signatur von Elementen wie Kalzium und Sauerstoff, die typischerweise in einer Supernova vorkommen. Überraschenderweise war es nicht besonders hell – wie der unglaublich helle GRB, den es begleitete.

„Sie ist nicht heller als frühere Supernovae“, sagte Blanchard. „Im Zusammenhang mit anderen Supernovae im Zusammenhang mit weniger energiereichen GRBs sieht es ziemlich normal aus. Man könnte erwarten, dass derselbe kollabierende Stern, der einen sehr energiereichen und hellen GRB erzeugt, auch eine sehr energiereiche und helle Supernova erzeugen würde. Aber es stellt sich heraus, dass das nicht der Fall ist.“ . Wir haben diesen extrem leuchtenden GRB, aber eine normale Supernova.“

Es fehlen: Schwere Elemente

Nachdem Blanchard und seine Mitarbeiter zum ersten Mal die Anwesenheit der Supernova bestätigt hatten, suchten sie nach Hinweisen auf schwere Elemente darin. Derzeit haben Astrophysiker ein unvollständiges Bild aller Mechanismen im Universum, die Elemente produzieren können, die schwerer als Eisen sind.

Der primäre Mechanismus zur Erzeugung schwerer Elemente, der schnelle Neutroneneinfangprozess, erfordert eine hohe Neutronenkonzentration. Bisher haben Astrophysiker nur die Entstehung schwerer Elemente durch diesen Prozess bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne bestätigt, einer Kollision, die 2017 vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) entdeckt wurde.

Aber Wissenschaftler sagen, dass es andere Wege geben muss, diese schwer fassbaren Materialien herzustellen. Es gibt einfach zu viele schwere Elemente im Universum und zu wenige Neutronensternverschmelzungen.

„Es gibt wahrscheinlich eine andere Quelle“, sagte Blanchard. „Es dauert sehr lange, bis binäre Neutronensterne verschmelzen. Zwei Sterne in einem binären System müssen zunächst explodieren, um Neutronensterne zu hinterlassen. Dann kann es Milliarden und Abermilliarden von Jahren dauern, bis sich die beiden Neutronensterne langsam näher kommen näher kommen und schließlich verschmelzen.

„Beobachtungen sehr alter Sterne deuten jedoch darauf hin, dass Teile des Universums mit Schwermetallen angereichert waren, bevor die meisten binären Neutronensterne Zeit zur Verschmelzung hatten. Das weist uns auf einen alternativen Kanal hin.“

Astrophysiker haben die Hypothese aufgestellt, dass schwere Elemente auch durch den Kollaps eines sich schnell drehenden, massereichen Sterns entstehen könnten – genau der Sternart, die den BOAT erzeugt hat. Mithilfe des vom JWST erhaltenen Infrarotspektrums untersuchte Blanchard die inneren Schichten der Supernova, wo die Es sollten schwere Elemente entstehen.

„Das explodierte Material des Sterns ist zu frühen Zeiten undurchsichtig, sodass man nur die äußeren Schichten sehen kann“, sagte Blanchard. „Aber sobald es sich ausdehnt und abkühlt, wird es transparent. Dann kann man die Photonen sehen, die aus der inneren Schicht der Supernova kommen.“

„Darüber hinaus absorbieren und emittieren verschiedene Elemente Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen, abhängig von ihrer Atomstruktur, was jedem Element eine einzigartige spektrale Signatur verleiht“, erklärte Blanchard. „Deshalb kann uns die Betrachtung des Spektrums eines Objekts Aufschluss darüber geben, welche Elemente vorhanden sind. Bei der Untersuchung des BOAT-Spektrums haben wir keine Anzeichen schwerer Elemente gesehen, was darauf hindeutet, dass Extremereignisse wie GRB 221009A keine Primärquellen sind. Dies sind wichtige Informationen, wenn wir fortfahren.“ um herauszufinden, wo die schwersten Elemente entstehen.

Warum so hell?

Um das Licht der Supernova von dem hellen Nachglühen davor zu unterscheiden, haben die Forscher die JWST-Daten mit Beobachtungen des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chile gepaart.

„Selbst mehrere Monate nach der Entdeckung des Ausbruchs war das Nachleuchten hell genug, um viel Licht in die JWST-Spektren einzubringen“, sagte Tanmoy Laskar, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der University of Utah und Mitautor des Buches Studie.

„Durch die Kombination der Daten der beiden Teleskope konnten wir genau messen, wie hell das Nachleuchten zum Zeitpunkt unserer JWST-Beobachtungen war, und das Spektrum der Supernova sorgfältig extrahieren.“

Obwohl Astrophysiker noch nicht herausgefunden haben, wie eine „normale“ Supernova und ein rekordverdächtiger GRB von demselben kollabierten Stern erzeugt wurden, sagte Laskar, dass dies möglicherweise mit der Form und Struktur der relativistischen Jets zusammenhängt. Wenn sich massereiche Sterne schnell drehen, kollabieren sie zu Schwarzen Löchern und erzeugen Materialstrahlen, die mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit abgeschossen werden. Wenn diese Strahlen schmal sind, erzeugen sie einen fokussierteren – und helleren – Lichtstrahl.

„Es ist, als würde man den Strahl einer Taschenlampe auf eine schmale Säule fokussieren, im Gegensatz zu einem breiten Strahl, der über eine ganze Wand fällt“, sagte Laskar. „Tatsächlich war dies einer der schmalsten Jets, die bisher bei einem Gammastrahlenausbruch gesehen wurden, was uns einen Hinweis darauf gibt, warum das Nachleuchten so hell erschien. Es könnten auch andere Faktoren dafür verantwortlich sein, eine Frage, die gestellt wird.“ Forscher werden sich noch viele Jahre damit befassen.“

Weitere Hinweise könnten auch aus zukünftigen Studien der Galaxie stammen, in der das BOAT stattfand. „Zusätzlich zum Spektrum des BOAT selbst haben wir auch ein Spektrum seiner ‚Wirts‘-Galaxie erhalten“, sagte Blanchard. „Das Spektrum zeigt Anzeichen einer intensiven Sternentstehung, was darauf hindeutet, dass die Geburtsumgebung des ursprünglichen Sterns anders sein könnte als bei früheren Ereignissen.“

Teammitglied Yijia Li, ein Doktorand an der Penn State, modellierte das Spektrum der Galaxie und stellte fest, dass die Heimatgalaxie des BOAT von allen früheren GRB-Wirtsgalaxien die niedrigste Metallizität aufweist, ein Maß für die Häufigkeit von Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. „Dies ist ein weiterer einzigartiger Aspekt des BOATs, der helfen könnte, seine Eigenschaften zu erklären“, sagte Li.

Diese Arbeit basiert auf Beobachtungen, die mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA gemacht wurden.

Blanchard ist Postdoktorand am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA), wo er superluminöse Supernovae und GRBs untersucht. An der Studie sind Co-Autoren des Zentrums für Astrophysik | beteiligt Harvard & Smithsonian; Universität von Utah; Penn State; Universität von Kalifornien, Berkeley; Radbound University in den Niederlanden; Wissenschaftliches Institut für Weltraumteleskope; University of Arizona/Steward Observatory; Universität von Kalifornien, Santa Barbara; Universität von Columbia; Flatiron-Institut; Universität Greifswald und University of Guelph.