JWST встановив причину найяскравішого гамма-спалаху, але поглибив інше питання

За допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) встановлено, що за виникнення найяскравішого гамма-спалаху (GRB) з усіх коли-небудь зафіксованих, позначеного GRB 221009A та прозваного B.O.A.T. ("найяскравіший з усіх часів"), відповідає вибух наднової. Але це відкриття розгадало одну загадку та водночас поглибило іншу.

Про відкриття розповідають в Північно-Західному університеті, передають OstanniPodii.com.

Дослідники припускали, що у відкритій надновій можуть міститися важкі елементи, такі як платина й золото. Однак ретельний пошук не виявив сигнатури, яка супроводжує такі елементи. Походження важких елементів у Всесвіті продовжує залишатися одним з найбільших відкритих питань астрономії.

"Коли ми підтвердили, що GRB утворився внаслідок колапсу масивної зорі, це дало нам можливість перевірити гіпотезу про те, як утворюються деякі з найважчих елементів у Всесвіті", - каже Пітер Бланшард, який очолював дослідження, докторант у Центрі міждисциплінарних досліджень в астрофізиці Північно-Західного університету (CIERA), де вивчає надсвітні наднові та GRB.

"Ми не побачили сигнатур цих важких елементів, що свідчить про те, що надзвичайно енергійні GRB, такі як B.O.A.T., не утворюють ці елементи. Це не означає, що їх не виробляють усі GRB, але це важлива інформація, оскільки ми продовжуємо намагатися зрозуміти, звідки беруться ці важкі елементи. Майбутні спостереження за допомогою JWST визначать, чи виробляють ці елементи "нормальні" родичі B.O.A.T."

"Ця подія особливо хвилює, оскільки дехто припускав, що світний гамма-спалах, подібний до B.O.A.T., міг утворити багато важких елементів, таких як золото й платина", - каже другий автор статті Ешлі Віллар з Гарвардського університету та Гарвардського/Смітсонівського Центру астрофізики. "Якщо вони мали рацію, B.O.A.T. мав би бути золотою жилою. Вражає те, що ми не побачили жодних доказів існування цих важких елементів".

Народження B.O.A.T.

Коли 9 жовтня 2022 року світло B.O.A.T. омило Землю, воно було настільки яскравим, що наситило більшість світових детекторів гамма-випромінювання. Потужний вибух стався приблизно за 2 мільярди світлових років від Землі у напрямку сузір′я Стрільця й тривав кілька сотень секунд. Коли астрономи кинулися спостерігати за походженням цього неймовірно яскравого явища, їх одразу охопило почуття трепету.

"Відтоді, як у нас з′явилася можливість виявити GRB, немає жодних сумнівів, що цей GRB є найяскравішим з усіх, які ми коли-небудь спостерігали, у 10 і більше разів", - сказав тоді Вень-фай Фонг, доцент фізики й астрономії в Коледжі мистецтв і наук Вайнберга при Північно-Західному університеті та член CIERA.

"Ця подія виробила деякі з найбільш високоенергетичних фотонів, коли-небудь зафіксованих супутниками, призначеними для виявлення гамма-променів", - каже Бланшард. "Це була подія, яку Земля бачить лише раз на 10 000 років. Нам пощастило, що ми живемо в час, коли у нас є технологія для виявлення цих сплесків, що відбуваються по Всесвіту. Дуже цікаво спостерігати за таким рідкісним астрономічним явищем, як B.O.A.T., і працювати над тим, щоб зрозуміти фізику, яка стоїть за цією винятковою подією".

"Нормальна" наднова

Замість того, щоб спостерігати подію одразу, Бланшард, Віллар та їхня команда хотіли побачити GRB на пізніх стадіях. Приблизно через шість місяців після першого виявлення GRB, Бланшард і Віллар використали JWST для вивчення наслідків події.

"GRB був настільки яскравим, що засвітлював будь-які потенційні сигнатури наднових у перші тижні й місяці після спалаху", - каже Бланшард. "У цей час так зване післясвітіння GRB було схоже на світло фар автомобіля, що їде прямо на вас, не даючи вам побачити саму машину. Тому нам довелося чекати, поки воно значно згасне, щоб отримати шанс побачити наднову".

"Нам пощастило, що JWST щойно запустився й ми змогли провести ці спостереження", - каже Віллар. " Чумацький Шлях опинився перед B.O.A.T., і його пил заблокував усе блакитне світло, яке ми зазвичай бачимо. JWST може зазирнути прямо крізь цей пил і дати нам дійсно неймовірний вигляд в інфрачервоному діапазоні".

Команда використовувала прилад JWST "Спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону" для виявлення характерної сигнатури таких елементів, як кальцій і кисень, які зазвичай містяться у наднових. На диво, вона не була надзвичайно яскравою -- як неймовірно яскравий GRB, який її супроводжував.

"Вона не яскравіша за попередні наднові", - каже Бланшард. "Вона виглядає цілком нормальною в контексті інших наднових, пов′язаних з менш енергійними GRB. Можна було б очікувати, що та сама зоря, яка при колапсі виробляє дуже енергійний та яскравий GRB, також вироблятиме дуже енергійну та яскраву наднову. Але виявляється, що це не так. Ми маємо цей надзвичайно яскравий GRB, але звичайну наднову".

Відсутньо: важкі елементи

Підтвердивши -- вперше -- наявність наднової, Бланшард та його колеги почали шукати докази наявності в ній важких елементів. Наразі астрофізики мають неповне уявлення про всі механізми у Всесвіті, які можуть виробляти елементи, важчі за залізо.

Основний механізм утворення важких елементів -- процес швидкого захоплення нейтронів -- вимагає високої концентрації нейтронів. Досі астрофізики підтвердили утворення важких елементів за допомогою цього процесу лише в результаті злиття двох нейтронних зір -- зіткнення, зафіксованого Лазерною інтерферометричною гравітаційно-хвильовою обсерваторією (LIGO) у 2017 році. Але вчені кажуть, що мають бути інші способи виробництва цих матеріалів. У Всесвіті просто занадто багато важких елементів і занадто мало злиттів нейтронних зір.

"Ймовірно, існує інше джерело", - каже Бланшард. "Злиття подвійних нейтронних зір займає дуже багато часу. Дві зорі у подвійній системі спочатку повинні вибухнути, щоб залишити після себе нейтронні зорі. Потім можуть пройти мільярди й мільярди років, поки дві нейтронні зорі повільно наближатимуться одна до одної та, нарешті, зіллються. Але спостереження за дуже старими зорями вказують на те, що деякі частини Всесвіту були збагачені важкими металами ще до того, як більшість подвійних нейтронних зір встигли б злитися. Це вказує нам на альтернативне джерело".

Астрофізики припускають, що важкі елементи також можуть утворюватися в результаті колапсу масивної швидкообертової зорі -- саме такого типу, яка породила B.O.A.T. Використовуючи інфрачервоний спектр, отриманий JWST, Бланшард вивчив внутрішні шари наднової, де повинні були утворитися важкі елементи.

"Матеріал зорі, що вибухнув, на ранніх стадіях непрозорий, тому ви можете бачити тільки зовнішні шари", - каже Бланшард. "Але як тільки він розширюється та охолоджується, він стає прозорим. Тоді можна побачити фотони, що виходять з внутрішнього шару наднової".

"Щобільше, різні елементи поглинають і випромінюють фотони на різних довжинах хвиль, залежно від їхньої атомної структури, надаючи кожному елементу унікальний спектральний підпис", - пояснює Бланшард. "Тому, дивлячись на спектр об′єкта, ми можемо визначити, які елементи у ньому присутні. Вивчивши спектр B.O.A.T., ми не побачили жодних сигнатур важких елементів, що свідчить про те, що екстремальні події на кшталт GRB 221009A не є першоджерелами. Це дуже важлива інформація, оскільки ми продовжуємо намагатися з′ясувати, де утворюються найважчі елементи".

Чому так яскраво?

Щоб відрізнити світло наднової від яскравого післясвітіння, дослідники об′єднали дані JWST зі спостереженнями з Атакамського великого міліметрового/субміліметрового масиву (ALMA) в Чилі.

"Навіть через кілька місяців після виявлення спалаху, післясвітіння було досить яскравим, щоб внести багато світла до спектрів JWST", - каже Танмой Ласкар, доцент кафедри фізики й астрономії Університету штату Юта та співавтор дослідження. "Поєднання даних з двох телескопів допомогло нам точно виміряти, наскільки яскравим було післясвітіння під час наших спостережень JWST, і дозволило нам ретельно виділити спектр наднової".

Хоча астрофізикам ще належить з′ясувати, як "нормальна" наднова й рекордний GRB були породжені однією й тією ж зорею, Ласкар вважає, що це може бути пов′язано з формою та структурою релятивістських джетів. Коли швидкообертові масивні зорі колапсують у чорні діри, вони утворюють струмені з речовини, звані джетами, які вилітають зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Якщо ці джети вузькі, вони створюють більш сфокусований -- та яскравіший -- промінь світла.

"Це схоже на фокусування променя ліхтарика у вузький стовпчик, на противагу широкому променю, який омиває всю стіну", - каже Ласкар. "Насправді, це був один з найвужчих струменів гамма-спалаху серед досі спостережуваних, що дає нам підказку, чому післясвітіння виявилося настільки яскравим. Можуть бути й інші фактори, і це питання, яке дослідники вивчатимуть протягом наступних років".

Додаткові підказки також можуть з′явитися з майбутніх досліджень галактики, в якій стався B.O.A.T. "На додаток до спектра самого B.O.A.T., ми також отримали спектр галактики, яка його містить", - каже Бланшард. "Спектр показує ознаки зореутворення, натякаючи на те, що середовище народження вихідної зорі могло відрізнятися від попередніх подій".

Член команди Іцзя Лі, аспірант Пенсильванського університету, змоделював спектр галактики й виявив, що галактика-господар B.O.A.T. має найнижчу металічність -- міру вмісту елементів, важчих за водень і гелій, -- серед усіх попередніх галактик-господарів GRB.

"Це ще один унікальний аспект B.O.A.T., який може допомогти пояснити її властивості", - каже Лі. "Енергія, вивільнена у B.O.A.T., була абсолютно зашкалювальною, це одна з найенергійніших подій, які коли-небудь бачили люди. Той факт, що він також народився з майже первісного газу, може бути важливим ключем до розуміння його визначних властивостей".

Результати дослідження були опубліковані 12 квітня в журналі Nature Astronomy.