Međunarodni tim istraživača, među kojima su i astrofizičari Sveučilišta Northwestern, zabilježio je u listopadu 2022. najjaču eksploziju gama zraka koja je ikada zabilježena, poznatu pod oznakom GRB 221009A.

Nakon toga, tim predvođen sa Sveučilišta Northwestern potvrdio je da je za ovaj povijesni događaj odgovorno urušavanje i naknadna eksplozija masivne zvijezde. Otkriće eksplozije, odnosno supernove, izvedeno je uz pomoć svemirskog teleskopa James Webb (JWST) kojeg upravlja NASA.

Iako je ovo otkriće razriješilo jednu zagonetku, otvorilo je drugu.

Istraživači su pretpostavljali da bi unutar ove novootkrivene supernove mogli pronaći tragove teških elemenata poput platine i zlata. Međutim, unatoč opsežnoj potrazi, nisu pronađeni potpisi koji bi ukazivali na prisutnost ovih elemenata. Pitanje podrijetla teških elemenata u svemiru i dalje ostaje jedno od najvećih otvorenih pitanja u astronomiji.

Rezultati istraživanja objavljeni su danas, 12. travnja, u znanstvenom časopisu Nature Astronomy.

"Potvrda da je GRB nastao urušavanjem masivne zvijezde pružila nam je priliku testirati hipotezu o načinu na koji se formiraju neki od najtežih elemenata u svemiru," izjavio je Peter Blanchard sa Sveučilišta Northwestern, vodeći autor studije. "Nismo uočili potpise ovih teških elemenata, što sugerira da izuzetno energični GRB-ovi poput ovoga ne proizvode te elemente. To ne znači da svi GRB-ovi ne proizvode te elemente, ali to je ključna informacija dok nastavljamo istraživati odakle dolaze ovi teški elementi. Buduća promatranja pomoću JWST-a utvrdit će proizvode li 'normalni' rođaci B.O.A.T.-a ove elemente."

Blanchard je postdoktorski suradnik na Sveučilištu Northwestern, u Centru za interdisciplinarna istraživanja i istraživanja u astrofizici (CIERA), gdje proučava superluminous supernove i GRB-ove. Autori studije uključuju suradnike iz Centra za astrofiziku | Harvard & Smithsonian; Sveučilišta Utah; Penn State; Sveučilišta Kalifornija, Berkeley; Radboud Sveučilišta u Nizozemskoj; Instituta za svemirske teleskope; Sveučilišta Arizona/Steward Observatory; Sveučilišta Kalifornija, Santa Barbara; Sveučilišta Columbia; Flatiron Instituta; Sveučilišta Greifswald i Sveučilišta Guelph.

„Ovaj događaj posebno je uzbudljiv jer su neki pretpostavljali da bi luminantna eksplozija gama zraka poput B.O.A.T.-a mogla proizvesti mnogo teških elemenata poput zlata i platine,“ izjavila je druga autorica Ashley Villar sa Sveučilišta Harvard i Centra za astrofiziku | Harvard & Smithsonian. „Ako su bili u pravu, B.O.A.T. bi trebao biti prava rudnik zlata. Izuzetno je zanimljivo što nismo vidjeli nikakve dokaze za te teške elemente.“

Rođenje B.O.A.T.-a. Kada je njegova svjetlost obasjala Zemlju 9. listopada 2022., B.O.A.T. je bio toliko sjajan da je zasitio većinu svjetskih detektora gama zraka. Moćna eksplozija dogodila se otprilike 2 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje, u smjeru sazviježđa Strelica i trajala je nekoliko stotina sekundi. Dok su astronomi požurili promatrati podrijetlo ovog izuzetno sjajnog fenomena, odmah su osjetili osjećaj divljenja.

„Otkad smo u mogućnosti detektirati GRB-ove, nema sumnje da je ovaj GRB najsjajniji koji smo ikada vidjeli, deset puta sjajniji od bilo kojeg prijašnjeg,“ rekao je u to vrijeme Wen-fai Fong, izvanredni profesor fizike i astronomije na Sveučilištu Northwestern, Weinberg College of Arts and Sciences i član CIERA.

„Događaj je proizveo neke od najenergičnijih fotonâ koje su ikada zabilježili sateliti dizajnirani za detekciju gama zraka,“ rekao je Blanchard. „Ovo je događaj koji Zemlja vidi samo jednom svakih 10.000 godina. Imamo sreću što živimo u vremenu kada imamo tehnologiju za detekciju ovih eksplozija širom svemira. Izuzetno je uzbudljivo promatrati tako rijedak astronomski fenomen kao što je B.O.A.T. i raditi na razumijevanju fizike iza ovog iznimnog događaja.“

Umjesto da promatraju događaj odmah, Blanchard, Villar i njihov tim željeli su promatrati GRB tijekom njegovih kasnijih faza. Otprilike šest mjeseci nakon što je GRB prvi put otkriven, Blanchard i Villar koristili su JWST za ispitivanje njegovih posljedica.

"GRB je bio toliko sjajan da je zasjenio bilo koji mogući potpis supernove u prvim tjednima i mjesecima nakon eksplozije," rekao je Blanchard. "U to vrijeme, takozvani sjaj nakon GRB-a bio je poput svjetala automobila koji dolazi izravno prema vama, sprječavajući vas da vidite sam automobil. Stoga smo morali pričekati da znatno izblijedi kako bismo imali priliku vidjeti supernovu."

"Sretni smo što je JWST upravo lansiran i mogao provesti ova promatranja," rekla je Villar. "Mliječna staza se našla ispred B.O.A.T.-a, a njezina prašina blokirala je svu plavu svjetlost koju bismo inače vidjeli. JWST može prodrijeti kroz tu prašinu i pružiti nam zaista nevjerojatan pogled u infracrvenom spektru."

Tim je koristio blisko-infracrveni spektrograf JWST-a kako bi otkrio karakteristične potpise elemenata poput kalcija i kisika koji su obično prisutni unutar supernove. Iznenada, nije bila izuzetno svijetla — poput izuzetno svijetlog GRB-a koji ju je pratio.

"Nije svjetlija od prethodnih supernova," rekao je Blanchard. "Izgleda prilično normalno u kontekstu drugih supernova povezanih s manje energičnim GRB-ovima. Možda biste očekivali da ista zvijezda koja proizvodi vrlo energičan i svijetao GRB također proizvede vrlo energičnu i svijetlu supernovu. Ali ispostavilo se da to nije slučaj. Imamo izuzetno svijetli GRB, ali normalnu supernovu."

Nedostaju: Teški elementi Nakon što su — po prvi put — potvrdili prisutnost supernove, Blanchard i njegovi suradnici zatim su tražili dokaze o teškim elementima unutar nje. Trenutno, astrofizičari imaju nepotpunu sliku svih mehanizama u svemiru koji mogu proizvesti elemente teže od željeza.

Primarni mehanizam za proizvodnju teških elemenata, proces brze hvatanja neutrona, zahtijeva visoku koncentraciju neutrona. Do sada su astrofizičari potvrdili proizvodnju teških elemenata putem ovog procesa samo u spajanju dviju neutronske zvijezde, sudaru koji je detektirao Gravitacijsko-valni observatorij Laser Interferometer (LIGO) 2017. godine. No znanstvenici kažu da mora postojati i drugi načini za proizvodnju ovih neuhvatljivih materijala. Jednostavno, u svemiru ima previše teških elemenata, a premalo spajanja neutronske zvijezde.

"Vjerojatno postoji još jedan izvor," rekao je Blanchard. "Spajanje binarnih neutronska zvijezda traje jako dugo. Dvije zvijezde u binarnom sustavu prvo moraju eksplodirati da bi ostavile iza sebe neutronske zvijezde. Nakon toga može proći milijarde i milijarde godina dok se dvije neutronske zvijezde postupno ne približe jedna drugoj i konačno se spoje. No, promatranja vrlo starih zvijezda ukazuju na to da su dijelovi svemira bili obogaćeni teškim metalima prije nego što bi većina binarnih neutronska zvijezda imala vremena za spajanje. To nas upućuje na alternativni kanal."

Astrofizičari su pretpostavili da teški elementi mogu biti proizvedeni i urušavanjem brzo vrteće se, masivne zvijezde — upravo onog tipa zvijezde koji je generirao B.O.A.T. Koristeći infracrveni spektar dobiven pomoću JWST-a, Blanchard je proučavao unutarnje slojeve supernove, gdje bi se trebali formirati teški elementi.

"Ekspandirani materijal zvijezde je neproziran u ranim fazama, pa možete vidjeti samo vanjske slojeve," rekao je Blanchard. "Ali jednom kada se proširi i ohladi, postaje proziran. Tada možete vidjeti fotone koji dolaze iz unutarnjeg sloja supernove."

"Osim toga, različiti elementi apsorbiraju i emitiraju fotone na različitim valnim duljinama, ovisno o njihovoj atomske strukturi, dajući svakom elementu jedinstveni spektralni potpis," objasnio je Blanchard. "Stoga, promatranjem spektra objekta možemo saznati koji su elementi prisutni. Pri pregledu spektra B.O.A.T.-a, nismo vidjeli nikakav potpis teških elemenata, što sugerira da ekstremni događaji poput GRB 221009A nisu primarni izvori. To je ključna informacija dok nastavljamo pokušavati odrediti gdje se formiraju najteži elementi."

Zašto je toliko sjajno? Da bi razlikovali svjetlost supernove od sjajnog sjaja koji joj je prethodio, istraživači su podatke JWST-a kombinirali s promatranjima iz Atacama velikog milimetarskog/submilimetarskog niza (ALMA) u Čileu.

"Čak i nekoliko mjeseci nakon što je eksplozija otkrivena, sjaj nakon eksplozije bio je dovoljno svijetao da doprinese mnogo svjetlosti u spektrima JWST-a," rekao je Tanmoy Laskar, izvanredni profesor fizike i astronomije na Sveučilištu u Utahu i koautor studije. "Kombiniranje podataka s dva teleskopa pomoglo nam je precizno izmjeriti koliko je sjaj nakon eksplozije bio sjajan u vrijeme naših JWST promatranja i omogućilo nam pažljivo izvlačenje spektra supernove."

Iako astrofizičari još uvijek nisu otkrili kako su "normalna" supernova i rekordno jak GRB nastali iz iste urušene zvijezde, Laskar je rekao da bi to moglo biti povezano s oblikom i strukturom relativističkih mlazova. Kada se brzo vrteće masivne zvijezde uruše u crne rupe, one proizvode mlazove materijala koji se lansiraju brzinom bliskom brzini svjetlosti. Ako su ti mlazovi uski, proizvode fokusiraniji - i svjetliji - snop svjetlosti.

"To je kao fokusiranje snopa svjetiljke u uski stup, za razliku od širokog snopa koji obasjava cijeli zid," rekao je Laskar. "Zapravo, to je bio jedan od najužih mlazova zabilježenih za eksploziju gama zraka do sada, što nam daje naznaku zašto je sjaj nakon eksplozije izgledao tako svijetao. Moguće je da postoje i drugi faktori odgovorni za to, pitanje koje će istraživači proučavati godinama koje dolaze."

Dodatni tragovi mogli bi doći iz budućih studija galaksije u kojoj se dogodio B.O.A.T. "Osim spektra samog B.O.A.T.-a, dobili smo i spektar njegove 'domaćinske' galaksije," rekao je Blanchard. "Spektar pokazuje znakove stvaranja zvijezda, što nagovještava da okruženje u kojem je originalna zvijezda nastala može biti drugačije od prethodnih događaja."

Član tima Yijia Li, diplomant na Sveučilištu Penn State, modelirao je spektar galaksije i otkrio da domaćinska galaksija B.O.A.T.-a ima najnižu metalnost, mjeru obilja elemenata težih od vodika i helija, od svih prethodnih galaksija domaćina GRB-a.

"Ovo je još jedan jedinstveni aspekt B.O.A.T.-a koji bi mogao pomoći objasniti njegova svojstva," rekao je Li. "Energija oslobođena u B.O.A.T.-u bila je potpuno izvan svih okvira, jedan od najenergičnijih događaja koje su ljudi ikad vidjeli. Činjenica da se čini da je nastao iz gotovo praiskonskog plina može biti važan trag za razumijevanje njegovih izvanrednih svojstava."

Studija, "Detekcija JWST-a supernove povezane s GRB 221009A bez potpisa r-procesa," podržana je od strane NASA (broj nagrade JWST-GO-2784) i Nacionalne znanstvene zaklade (broj nagrada AST-2108676 i AST-2002577). Ovaj rad temelji se na promatranjima izvršenim pomoću svemirskog teleskopa James Webb koji je zajednički projekt NASA-e, ESA-e i CSA-e.

Izvor: Northwestern University