JWST установил причину самой яркой гамма-вспышки, но углубил другой вопрос

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) установлено, что за возникновение самой яркой гамма-всплеска (GRB) из всех когда-либо зафиксированных, обозначенный GRB 221009A и прозванный B.O.A.T. ("самый яркий со всех времен"), отвечает взрыв сверхновой. Но это открытие разгадало одну загадку и одновременно углубило другую.

Об открытии рассказывают в Северо-Западном университете, передают OstanniPodii.com.

Исследователи предполагали, что в открытой сверхновой могут содержаться тяжелые элементы, такие как платина и золото. Однако тщательный поиск не обнаружил сигнатуры, которая сопровождает такие элементы. Происхождение тяжелых элементов во Вселенной продолжает оставаться одним из самых больших открытых вопросов астрономии.

"Когда мы подтвердили, что GRB образовался в результате коллапса массивной звезды, это дало нам возможность проверить гипотезу о том, как образуются некоторые из самых тяжелых элементов во Вселенной", - говорит Питер Бланшард, возглавлявший исследование, докторант в Центре междисциплинарных исследований в астрофизике Северо-Западного университета (CIERA), где изучает сверхсветитмые сверхновые и GRB.

"Мы не увидели сигнатур этих тяжелых элементов, что свидетельствует о том, что чрезвычайно энергичные GRB, такие как B.O.A.T., не образуют эти элементы. Это не означает, что их не производят все GRB, но это важная информация, поскольку мы продолжаем пытаться понять, откуда берутся эти тяжелые элементы. Будущие наблюдения с помощью JWST определят, производят ли эти элементы "нормальные" родственники B.O.A.T."

"Это событие особенно волнующее, поскольку некоторые предполагали, что светимый гамма-всплеск, подобный B.O.A.T., мог образовать много тяжелых элементов, таких как золото и платина", - говорит второй автор статьи Эшли Виллар из Гарвардского университета и Гарвардского/Смитсоновского Центра астрофизики. "Если они были правы, B.O.A.T. должен был бы быть золотой жилой. Поразительно то, что мы не увидели никаких доказательств существования этих тяжелых элементов".

Рождение B.O.A.T.

Когда 9 октября 2022 года свет B.O.A.T. омыл Землю, он был настолько ярким, что насытил большинство мировых детекторов гамма-излучения. Мощный взрыв произошел примерно в 2 миллиардах световых лет от Земли в направлении созвездия Стрельца и длился несколько сотен секунд. Когда астрономы бросились наблюдать за происхождением этого невероятно яркого явления, их сразу охватило чувство трепета.

"С тех пор, как у нас появилась возможность обнаружить GRB, нет никаких сомнений, что этот GRB является самым ярким из всех, которые мы когда-либо наблюдали, в 10 и более раз", - сказал тогда Вэнь-фай Фонг, доцент физики и астрономии в Колледже искусств и наук Вайнберга при Северо-Западном университете и член CIERA.

"Это событие произвело некоторые из самых высокоэнергетических фотонов, когда-либо зафиксированных спутниками, предназначенными для обнаружения гамма-лучей", - говорит Бланшард. "Это было событие, которое Земля видит лишь раз в 10 000 лет. Нам повезло, что мы живем во время, когда у нас есть технология для обнаружения этих всплесков, происходящих по Вселенной. Очень интересно наблюдать за таким редким астрономическим явлением, как B.O.A.T., и работать над тем, чтобы понять физику, которая стоит за этим исключительным событием".

"Нормальная" сверхновая

Вместо того, чтобы наблюдать событие сразу, Бланшард, Виллар и их команда хотели увидеть GRB на поздних стадиях. Примерно через шесть месяцев после первого обнаружения GRB, Бланшард и Виллар использовали JWST для изучения последствий события.

"GRB был настолько ярким, что засвечивал любые потенциальные сигнатуры сверхновых в первые недели и месяцы после всплеска", - говорит Бланшард. "В это время так называемое послесвечение GRB было похоже на свет фар автомобиля, который едет прямо на вас, не давая вам увидеть саму машину. Поэтому нам пришлось ждать, пока оно значительно угаснет, чтобы получить шанс увидеть сверхновую".

"Нам повезло, что JWST только что запустился и мы смогли провести эти наблюдения", - говорит Виллар. " Млечный Путь оказался перед B.O.A.T., и его пыль заблокировала весь голубой свет, который мы обычно видим. JWST может заглянуть прямо сквозь эту пыль и дать нам действительно невероятный вид в инфракрасном диапазоне".

Команда использовала прибор JWST "Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона" для обнаружения характерной сигнатуры таких элементов, как кальций и кислород, которые обычно содержатся в сверхновых. На удивление, она не была чрезвычайно яркой -- как невероятно яркий GRB, который её сопровождал.

"Она не ярче предыдущих сверхновых", - говорит Бланшард. "Она выглядит вполне нормальной в контексте других сверхновых, связанных с менее энергичными GRB. Можно было бы ожидать, что та же звезда, которая при коллапсе производит очень энергичный и яркий GRB, также будет производить очень энергичную и яркую сверхновую. Но оказывается, что это не так. Мы имеем этот чрезвычайно яркий GRB, но обычную сверхновую".

Новости по подобной теме:

"Уэбб" обнаружил, что черные дыры быстро останавливают звездообразование в массивных галактиках

Отсутствуют: тяжелые элементы

Подтвердив -- впервые -- наличие сверхновой, Бланшард и его коллеги начали искать доказательства наличия в ней тяжелых элементов. Сейчас астрофизики имеют неполное представление обо всех механизмах во Вселенной, которые могут производить элементы тяжелее железа.

Основной механизм образования тяжелых элементов -- процесс быстрого захвата нейтронов -- требует высокой концентрации нейтронов. До сих пор астрофизики подтвердили образование тяжелых элементов с помощью этого процесса только в результате слияния двух нейтронных звезд -- столкновения, зафиксированного Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2017 году. Но ученые говорят, что должны быть другие способы производства этих материалов. Во Вселенной просто слишком много тяжелых элементов и слишком мало слияний нейтронных звезд.

"Вероятно, существует другой источник", - говорит Бланшард. "Слияние двойных нейтронных звезд занимает очень много времени. Две звезды в двойной системе сначала должны взорваться, чтобы оставить после себя нейтронные звезды. Затем могут пройти миллиарды и миллиарды лет, пока две нейтронные звезды будут медленно приближаться друг к другу и, наконец, сольются. Но наблюдения за очень старыми звездами указывают на то, что некоторые части Вселенной были обогащены тяжелыми металлами еще до того, как большинство двойных нейтронных звезд успели бы слиться. Это указывает нам на альтернативный источник".

Астрофизики предполагают, что тяжелые элементы также могут образовываться в результате коллапса массивной быстро вращающейся звезды -- именно такого типа, которая породила B.O.A.T. Используя инфракрасный спектр, полученный JWST, Бланшард изучил внутренние слои сверхновой, где должны были образоваться тяжелые элементы.

"Материал взорвавшейся звезды на ранних стадиях непрозрачен, поэтому вы можете видеть только внешние слои", - говорит Бланшард. "Но как только он расширяется и охлаждается, он становится прозрачным. Тогда можно увидеть фотоны, исходящие из внутреннего слоя сверхновой".

"Более того, различные элементы поглощают и излучают фотоны на разных длинах волн, в зависимости от их атомной структуры, придавая каждому элементу уникальную спектральную подпись", - объясняет Бланшард. "Поэтому, глядя на спектр объекта, мы можем определить, какие элементы в нем присутствуют. Изучив спектр B.O.A.T., мы не увидели никаких сигнатур тяжелых элементов, что свидетельствует о том, что экстремальные события вроде GRB 221009A не являются первоисточниками. Это очень важная информация, поскольку мы продолжаем пытаться выяснить, где образуются самые тяжелые элементы".

Почему так ярко?

Чтобы отличить свет сверхновой от яркого послесвечения, исследователи объединили данные JWST с наблюдениями от Атакамского большого миллиметрового/субмиллиметрового массива (ALMA) в Чили.

"Даже через несколько месяцев после обнаружения всплеска, послесвечение было достаточно ярким, чтобы внести много света в спектры JWST", - говорит Танмой Ласкар, доцент кафедры физики и астрономии Университета штата Юта и соавтор исследования. "Сочетание данных с двух телескопов помогло нам точно измерить, насколько ярким было послесвечение во время наших наблюдений JWST, и позволило нам тщательно выделить спектр сверхновой".

Хотя астрофизикам еще предстоит выяснить, как "нормальная" сверхновая и рекордный GRB были порождены одной и той же звездой, Ласкар считает, что это может быть связано с формой и структурой релятивистских джетов. Когда быстро вращающиеся массивные звезды коллапсируют в черные дыры, они образуют струи из вещества, называемые джетами, которые вылетают со скоростью, близкой к скорости света. Если эти джеты узкие, они создают более сфокусированный -- и более яркий -- луч света.

"Это похоже на фокусировку луча фонарика в узкий столбик, в противовес широкому лучу, который омывает всю стену", - говорит Ласкар. "На самом деле, это была одна из самых узких струй гамма-всплеска среди до сих пор наблюдаемых, что дает нам подсказку, почему послесвечение оказалось настолько ярким. Могут быть и другие факторы, и это вопрос, который исследователи будут изучать в течение следующих лет".

Дополнительные подсказки также могут появиться из будущих исследований галактики, в которой произошел B.O.A.T. "В дополнение к спектру самого B.O.A.T., мы также получили спектр галактики, которая его содержит", - говорит Бланшард. "Спектр показывает признаки звездообразования, намекая на то, что среда рождения исходной звезды могла отличаться от предыдущих событий".

Член команды Ицзя Ли, аспирант Пенсильванского университета, смоделировал спектр галактики и обнаружил, что галактика-хозяин B.O.A.T. имеет самую низкую металличность -- меру содержания элементов, тяжелее водорода и гелия, -- среди всех предыдущих галактик-хозяев GRB.

"Это еще один уникальный аспект B.O.A.T., который может помочь объяснить его свойства", - говорит Ли. "Энергия, высвобожденная в B.O.A.T., была абсолютно зашкаливающей, это одно из самых энергичных событий, которые когда-либо видели люди. Тот факт, что он также родился из почти первобытного газа, может быть важным ключом к пониманию его выдающихся свойств".

Результаты исследования были опубликованы 12 апреля в журнале Nature Astronomy.

• телескоп Уэбба
• Сверхновые
• гамма-всплеск