|
Ярчайший гамма-всплеск произошел из-за коллапса звезды
|
|
|
|
В октябре 2022 года международная группа исследователей, включая астрофизиков Северо-Западного университета, наблюдала самый яркий из когда-либо зарегистрированных гамма-всплесков - GRB 221009A. Теперь команда ученых из Северо-Западного университета подтвердила, что феномен, ответственный за историческую вспышку, получившую название B.O.A.T. ("самая яркая за все время"), — это коллапс и последующий взрыв массивной звезды. Команда обнаружила взрыв, или сверхновую, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST). В то время как это открытие раскрывает одну тайну, другая становится еще более загадочной. Исследователи предположили, что в составе недавно обнаруженной сверхновой могут находиться тяжелые элементы, такие как платина и золото. Однако в ходе тщательных поисков не было обнаружено признаков, которые сопровождают такие элементы. Происхождение тяжелых элементов во Вселенной продолжает оставаться одним из самых больших открытых вопросов в астрономии. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
|
|
|
|
"Когда мы подтвердили, что гамма-всплеск был вызван коллапсом массивной звезды, это дало нам возможность проверить гипотезу о том, как образуются некоторые из самых тяжелых элементов во Вселенной", - сказал Питер Бланшар из Northwestern, возглавлявший исследование. "Мы не видели сигнатур этих тяжелых элементов, что позволяет предположить, что чрезвычайно энергичные гамма-всплески, подобные B.O.A.T., не производят эти элементы. Это не означает, что все гамма-всплески не производят их, но это ключевая информация, поскольку мы продолжаем понимать, откуда берутся эти тяжелые элементы. Будущие наблюдения с помощью JWST позволят определить, производят ли эти элементы "нормальные" родственники B.O.A.T.". Когда его свет пролился на Землю 9 октября 2022 года, Б.О.А.Т. был настолько ярким, что засветил большинство детекторов гамма-излучения в мире. Мощный взрыв произошел примерно в 2,4 миллиардах световых лет от Земли, в направлении созвездия Сагитта, и продолжался несколько сотен секунд. Когда астрономы бросились наблюдать за происхождением этого невероятно яркого явления, они сразу же испытали благоговейный трепет.
|
|
|
"Поскольку нам удалось обнаружить гамма-всплески, нет никаких сомнений в том, что это самое яркое гамма-всплеск, которое мы когда-либо наблюдали, с коэффициентом в 10 и более раз", - говорит Вэнь-фай Фонг, доцент физики и астрономии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета и член CIERA, сказанное в то время. "Это событие произвело одни из самых мощных фотонов, когда-либо зарегистрированных спутниками, предназначенными для обнаружения гамма-лучей", - сказал Бланшар. "Это было событие, которое Земля видит только раз в 10 000 лет. Нам повезло, что мы живем в такое время, когда у нас есть технологии, позволяющие обнаруживать подобные вспышки, происходящие по всей Вселенной. Это так увлекательно - наблюдать такое редкое астрономическое явление, как Б.О.А.Т., и работать над пониманием физики, стоящей за этим исключительным событием." Вместо того, чтобы наблюдать за событием непосредственно, Бланшар, его близкий сотрудник Эшли Виллар из Гарвардского университета и их команда хотели наблюдать за GRB на более поздних стадиях. Примерно через шесть месяцев после первоначального обнаружения GRB Бланшар использовал JWST для изучения его последствий.
|
|
|
|
"Гамма-всплеск был настолько ярким, что в первые недели и месяцы после вспышки он скрывал любые потенциальные признаки сверхновой", - сказал Бланшар. "В это время так называемое послесвечение гамма-всплеска было похоже на свет фар автомобиля, едущего прямо на вас, и мешало разглядеть саму машину. Поэтому нам пришлось подождать, пока оно значительно ослабнет, чтобы дать нам шанс увидеть сверхновую". Бланшар использовал спектрограф JWST в ближней инфракрасной области спектра, чтобы наблюдать излучение объекта в инфракрасном диапазоне длин волн. Именно тогда он увидел характерные признаки таких элементов, как кальций и кислород, которые обычно содержатся в составе сверхновых. Удивительно, но он не был исключительно ярким — как сопровождавший его невероятно яркий гамма-всплеск. "Она ничуть не ярче предыдущих сверхновых", - сказал Бланшар. "Она выглядит довольно обычной в контексте других сверхновых, связанных с менее энергичными гамма-всплесками. Можно было бы ожидать, что одна и та же коллапсирующая звезда, образующая очень энергичный и яркий гамма-всплеск, также породит очень энергичную и яркую сверхновую. Но оказалось, что это не так. У нас есть этот чрезвычайно яркий гамма-всплеск, но обычная сверхновая".
|
|
|
|
Впервые подтвердив наличие сверхновой, Бланшар и его коллеги начали поиск доказательств наличия в ней тяжелых элементов. В настоящее время астрофизики имеют неполное представление обо всех механизмах во Вселенной, которые могут создавать элементы тяжелее железа. Основной механизм получения тяжелых элементов - процесс быстрого захвата нейтронов - требует высокой концентрации нейтронов. Пока астрофизики только подтвердили образование тяжелых элементов в результате этого процесса при слиянии двух нейтронных звезд, столкновение которых было обнаружено гравитационно-волновой обсерваторией лазерного интерферометра (LIGO) в 2017 году. Но ученые говорят, что должны быть другие способы получения этих неуловимых материалов. Во Вселенной просто слишком много тяжелых элементов и слишком мало случаев слияния нейтронных звезд. "Вероятно, существует другой источник", - сказал Бланшар. "Слиянию двойных нейтронных звезд требуется очень много времени. Две звезды в двойной системе сначала должны взорваться, чтобы остались нейтронные звезды. Затем двум нейтронным звездам могут потребоваться миллиарды и миллиарды лет, чтобы медленно сблизиться и, наконец, слиться.
|
|
|
|
"Но наблюдения за очень старыми звездами показывают, что части Вселенной были обогащены тяжелыми металлами еще до того, как у большинства двойных нейтронных звезд было время для слияния. Это указывает нам на альтернативный канал". Астрофизики выдвинули гипотезу, что тяжелые элементы также могли образоваться в результате коллапса быстро вращающейся массивной звезды — именно того типа звезд, который породил B.O.A.T. Используя инфракрасный спектр, полученный JWST, Бланшар изучил внутренние слои сверхновой, где должны образовываться тяжелые элементы. "Материал взорвавшейся звезды на ранних стадиях непрозрачен, поэтому вы можете видеть только внешние слои", - сказал Бланшар. "Но как только он расширяется и охлаждается, он становится прозрачным. Тогда вы сможете увидеть фотоны, исходящие из внутреннего слоя сверхновой". "Более того, разные элементы поглощают и излучают фотоны с разной длиной волны, в зависимости от их атомной структуры, что придает каждому элементу уникальную спектральную характеристику", - пояснил Бланшар.
|
|
|
|
"Таким образом, анализ спектра объекта может сказать нам, какие элементы присутствуют в нем. Изучив спектр B.O.A.T., мы не обнаружили никаких признаков присутствия тяжелых элементов, что позволяет предположить, что экстремальные явления, подобные GRB 221009A, не являются первичными источниками. Это очень важная информация, поскольку мы продолжаем пытаться определить, где образуются самые тяжелые элементы". Чтобы отделить свет сверхновой от яркого послесвечения, которое было до нее, исследователи сопоставили данные JWST с наблюдениями, полученными с помощью большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки в Атакаме (ALMA) в Чили. "Даже через несколько месяцев после обнаружения вспышки послесвечение было достаточно ярким, чтобы внести много света в спектры JWST", - сказал Танмой Ласкар, доцент кафедры физики и астрономии Университета Юты и соавтор исследования. "Объединение данных с двух телескопов помогло нам точно измерить, насколько ярким было послесвечение во время наших первых наблюдений, и позволило нам тщательно выделить спектр сверхновой". Хотя астрофизикам еще предстоит выяснить, как "обычная" сверхновая и рекордное количество гамма-всплесков были созданы одной и той же коллапсировавшей звездой, Ласкар сказал, что это может быть связано с формой и структурой релятивистских струй.
|
|
|
|
Когда массивные звезды, быстро вращаясь, коллапсируют в черные дыры, они выбрасывают струи вещества, скорость которых близка к скорости света. Если эти струи узкие, они создают более сфокусированный и яркий луч света. "Это похоже на фокусировку луча фонарика на узкой колонне, в отличие от широкого луча, который проходит по всей стене", - сказал Ласкар. "На самом деле, это была одна из самых узких струй, наблюдавшихся до сих пор при гамма-всплеске, что дает нам представление о том, почему послесвечение оказалось таким ярким. За это могут быть ответственны и другие факторы, и этот вопрос исследователи будут изучать еще долгие годы". Дополнительные подсказки также могут быть получены в результате будущих исследований галактики, в которой произошел B.O.A.T.. "В дополнение к спектру самого B.O.A.T., мы также получили спектр галактики-хозяина", - сказал Бланшар. "Спектр показывает признаки интенсивного звездообразования, намекая на то, что условия рождения первоначальной звезды могут отличаться от предыдущих событий". Член команды Ицзя Ли, аспирант Пенсильванского университета, смоделировал спектр галактики и обнаружил, что галактика-хозяин B.O.A.T. обладает самой низкой металличностью, что является показателем содержания элементов тяжелее водорода и гелия, из всех предыдущих галактик-хозяев GRB. "Это еще один уникальный аспект B.O.A.T., который может помочь объяснить его свойства", - сказал Ли.
|
|
|
|
Источник
|
