Der hellste Gammastrahlenausbruch, der jemals gesehen wurde, kam von einem kollabierenden Stern

Nach einer etwa zwei Milliarden Jahre dauernden Reise trafen am 9. Oktober 2022 Photonen eines extrem energiereichen Gammastrahlenausbruchs (GRB) die Sensoren des Neil Gehrels Swift Observatory und des Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Der GRB dauerte jedoch sieben Minuten war viel länger sichtbar. Sogar Amateurastronomen entdeckten den starken Ausbruch im sichtbaren Frequenzbereich.

Es war so stark, dass es die Erdatmosphäre beeinflusste, eine bemerkenswerte Leistung für etwas, das mehr als zwei Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Es ist der hellste GRB, der jemals beobachtet wurde, und seitdem haben Astrophysiker nach seiner Quelle gesucht.

Laut NASA sind GRBs die stärksten Explosionen im Universum. Sie wurden erstmals Ende der 1960er Jahre von amerikanischen Satelliten entdeckt, die zur Überwachung der UdSSR gestartet wurden. Die Amerikaner befürchteten, dass die Russen trotz der Unterzeichnung des Atomteststoppvertrags von 1963 weiterhin Atomwaffen testen könnten.

Mittlerweile entdecken wir täglich etwa einen GRB, und dieser befindet sich immer in entfernten Galaxien. Astrophysiker hatten Mühe, sie zu erklären, und stellten unterschiedliche Hypothesen auf. Es wurde so viel über sie geforscht, dass im Jahr 2000 täglich durchschnittlich 1,5 Artikel über GRBs in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden.

Es wurden viele verschiedene Ursachen vorgeschlagen. Einige dachten, dass GRBs freigesetzt werden könnten, wenn Kometen mit Neutronensternen kollidieren. Andere dachten, sie könnten von massereichen Sternen stammen, die zu Schwarzen Löchern kollabieren. Tatsächlich fragten sich Wissenschaftler, ob Quasare, Supernovae, Pulsare und sogar Kugelsternhaufen die Ursache für GRBs sein oder irgendwie mit ihnen in Zusammenhang stehen könnten.

GRBs sind verwirrend, weil ihre Lichtkurven so komplex sind. Keine zwei sind identisch. Aber Astrophysiker haben Fortschritte gemacht und einige Dinge gelernt. Kurzfristige GRBs werden durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder die Verschmelzung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs verursacht. GRBs mit längerer Dauer werden dadurch verursacht, dass ein massereicher Stern kollabiert und ein Schwarzes Loch bildet.

Neue Forschung in Naturastronomie untersuchten das ultra-energetische GRB 221009A, nannten es das „BOOT: Hellstes aller Zeiten“ und fanden etwas Überraschendes. Als es erstmals entdeckt wurde, sagten Wissenschaftler, es sei durch den Kollaps eines massereichen Sterns in ein Schwarzes Loch verursacht worden. Die neue Forschung widerspricht dem nicht. Aber es stellt ein neues Rätsel dar: Warum gibt es in der neu entdeckten Supernova keine schweren Elemente?

Die Forschung ist „JWST-Erkennung einer Supernova im Zusammenhang mit GRB 221009A ohne R-Prozess-Signatur.“ Der Hauptautor ist Peter Blanchard, Postdoktorand am Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA).

„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.“

„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 Hauptautor Blanchard.

„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 zukünftige Beobachtungen mit JWST bestimmen, ob die „normalen“ Cousins ​​des BOAT diese Elemente produzieren.“

Wissenschaftler wissen, dass bei Supernova-Explosionen schwere Elemente entstehen. Sie sind eine wichtige Quelle für Elemente von Sauerstoff (Ordnungszahl 8) bis Rubidium (Ordnungszahl 37) im interstellaren Medium. Sie produzieren auch schwerere Elemente. Schwere Elemente sind notwendig, um Gesteinsplaneten wie die Erde zu bilden und für das Leben selbst. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Astrophysiker nicht vollständig verstehen, wie schwere Elemente entstehen.

„Dieses Ereignis ist besonders aufregend, weil einige die Hypothese aufgestellt hatten, dass ein leuchtender Gammastrahlenausbruch wie der BOAT viele schwere Elemente wie Gold und Platin erzeugen könnte“, sagte Zweitautorin Ashley Villar von der Harvard University und dem Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. „Wenn sie Recht hätten, hätte das BOOT eine Goldgrube sein müssen. Es ist wirklich auffällig, dass wir keine Beweise für diese schweren Elemente gesehen haben.“

Sterne schmieden schwere Elemente durch Nukleosynthese. Dafür sind drei Prozesse verantwortlich: der p-Prozess, der s-Prozess und der r-Prozess (Protoneneinfangprozess, langsamer Neutroneneinfangprozess und schneller Neutroneneinfangprozess). Der r-Prozess fängt Neutronen schneller ein als der s-Prozess. Prozess und ist für etwa die Hälfte der Elemente verantwortlich, die schwerer als Eisen sind. Der R-Prozess ist auch für die stabilsten Isotope dieser schweren Elemente verantwortlich.

Das ist alles, um die Bedeutung des R-Prozesses im Universum zu veranschaulichen.

Die Forscher nutzten das JWST, um GRB 221009A auf den Grund zu gehen. Der GRB wurde von der Milchstraße verdeckt, aber das JWST erkennt Infrarotlicht und hat das Gas und den Staub der Milchstraße durchschaut. Der NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph) des Teleskops erfasst Elemente wie Sauerstoff und Kalzium, die normalerweise in Supernovae vorkommen. Aber die Signaturen waren nicht sehr hell, eine Überraschung, wenn man bedenkt, wie hell die Supernova war.

„Sie ist nicht heller als frühere Supernovae“, sagte Hauptautor 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.“

Die Bestätigung der Anwesenheit der Supernova war ein großer Schritt zum Verständnis von GRB 221009A. Aber das Fehlen einer R-Prozess-Signatur ist immer noch verwirrend.

Wissenschaftler haben lediglich den R-Prozess bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne, einer sogenannten Kilonova-Explosion, bestätigt. Aber es gibt zu wenige Neutronensternverschmelzungen, um die Häufigkeit schwerer Elemente zu erklären.

Bildnachweis: NASA

„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 Aber Beobachtungen sehr alter Sterne deuten darauf hin, dass Teile des Universums mit Schwermetallen angereichert waren, bevor die meisten binären Neutronensterne Zeit hatten, zu verschmelzen.

Forscher haben sich gefragt, ob leuchtende Supernovae wie diese für den Rest verantwortlich sein können. Supernovae haben eine innere Schicht, in der schwerere Elemente synthetisiert werden könnten. Aber diese Schicht ist verdeckt. Erst wenn sich die Lage beruhigt hat, wird die innere Schicht sichtbar.

„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.“

Alle Elemente haben spektroskopische Signaturen und das NIRSpec des JWST ist ein sehr leistungsfähiges Instrument. Schwerere Elemente konnten jedoch nicht einmal in der inneren Schicht der Supernova nachgewiesen werden.

„Bei der Untersuchung des BOAT-Spektrums haben wir keine Anzeichen schwerer Elemente gesehen, was darauf hindeutet, dass Extremereignisse wie GRB 221009A keine Primärquellen sind“, sagte Hauptautor Blanshard. „Dies sind wichtige Informationen, da wir weiterhin versuchen, den Ort zu bestimmen.“ es entstehen die schwersten Elemente.“

Wissenschaftler sind sich immer noch unsicher über den GRB und seinen Mangel an schweren Elementen. Aber es gibt noch ein anderes Merkmal, das einen Hinweis geben könnte: Jets.

„Ein zweiter vorgeschlagener Ort des R-Prozesses liegt in schnell rotierenden Kernen massereicher Sterne, die zu einem anwachsenden Schwarzen Loch kollabieren und ähnliche Bedingungen wie nach einer BNS-Fusion erzeugen“, schreiben die Autoren in ihrer Arbeit. „Theoretische Simulationen deuten darauf hin, dass die Ausflüsse der Akkretionsscheibe in diesen sogenannten ‚Kollapsars‘ den neutronenreichen Zustand erreichen könnten, der für das Auftreten des R-Prozesses erforderlich ist.“

Bei den Akkretionsscheibenausflüssen handelt es sich nach Angaben der Forscher um relativistische Jets. Je schmaler die Jets sind, desto heller und fokussierter ist ihre Energie.

Könnten sie beim Schmieden schwerer Elemente eine Rolle spielen?

„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.“

Die Forscher verwendeten NIRSpec auch, um ein Spektrum der Muttergalaxie des GRB zu sammeln. Sie hat die niedrigste Metallizität aller Galaxien, von denen bekannt ist, dass sie einen GRB beherbergen. Könnte das ein Faktor sein?

„Dies ist eine der Umgebungen mit der niedrigsten Metallizität aller LGRBs, einer Klasse von Objekten, die Galaxien mit niedriger Metallizität bevorzugen, und unseres Wissens ist es die Umgebung mit der niedrigsten Metallizität eines GRB-SN bisher“, schreiben die Autoren in ihrer Forschung. „Dies könnte darauf hindeuten, dass eine sehr geringe Metallizität erforderlich ist, um einen sehr energiereichen GRB zu erzeugen.“

Die Muttergalaxie ist auch aktiv an der Sternentstehung beteiligt. Ist das ein weiterer Hinweis?

„Das Spektrum zeigt Anzeichen einer Sternentstehung, was darauf hindeutet, dass die Geburtsumgebung des ursprünglichen Sterns anders sein könnte als bei früheren Ereignissen“, sagte Blanshard.

Yijia Li ist Doktorandin an der Penn State University und Mitautorin des Artikels. „Dies ist ein weiterer einzigartiger Aspekt des BOATs, der helfen könnte, seine Eigenschaften zu erklären“, sagte Li. „Die im BOAT freigesetzte Energie war völlig unvorstellbar, eines der energiereichsten Ereignisse, die Menschen je gesehen haben. Die Tatsache, dass es auch aus nahezu urzeitlichem Gas entstanden zu sein scheint, könnte ein wichtiger Hinweis zum Verständnis seiner überragenden Eigenschaften sein.“ „

Dies ist ein weiterer Fall, in dem die Lösung eines Rätsels zu einem weiteren unbeantworteten führt. Das JWST wurde ins Leben gerufen, um einige unserer grundlegenden Fragen zum Universum zu beantworten. Mit der Bestätigung, dass eine Supernova hinter dem stärksten jemals entdeckten GRB steckt, hat es einen Teil seiner Aufgabe erfüllt.

Aber es hat auch noch ein weiteres Rätsel entdeckt und uns wieder hängen lassen.

Das JWST funktioniert wie vorgesehen.