Ekstra lange eksplosioner udfordrer vores teorier om kosmiske katastrofer | Quanta Magasinet

Den 11. december 2021 slog en stråle af gammastråler - den mest energiske form for lys - ind i NASAs Swift-satellit. Inden for 120 sekunder havde satellitten drejet mod eksplosionen og opdaget de glødende gløder fra en kosmisk katastrofe. Ti minutter senere gik advarsler ud til astronomer over hele verden.

Blandt dem var Jillian Rastinejad, en kandidatstuderende ved Northwestern University. For Rastinejad og hendes samarbejdspartnere lignede dette gammastråleudbrud mærkeligt et usædvanligt udbrud fra 2006. Rastinejad ringede til Gemini-observatoriet på Hawai'i og fik forskere til at stirre dybt på den del af himlen, hvor udbruddet var kommet fra. Et par dage senere, da skyerne væltede ind, tog en forsker ved MMT-observatoriet i Arizona over og gjorde sit bedste for at holde teleskopet trænet på den falmende lysplet en milliard lysår væk.

Det var ikke en lille bedrift, da vejret også vendte der, sagde Rastinejad. "Hun fandt et hul i skyerne til os omkring klokken 4 hver dag."

På det tidspunkt, hvor kæden af ​​observationer var afsluttet en uge eller deromkring senere, havde Rastinejad og hendes kolleger en ret god idé om, hvad der havde affyret disse gammastråler hen over universet. Mens de havde set på, var udbruddets eftervirkning blevet rødere og rødere - et umiskendeligt tegn på, at tunge atomer som guld og platin blev smedet i affaldet. Hovedkilden til en sådan kosmisk alkymi er kollisioner, der involverer neutronstjerner, de ufatteligt tætte kerner af døde sole.

Det eneste problem var, at en sådan konklusion virkede umulig. Når neutronstjerner smelter sammen, formoder astrofysikere, at det hele er forbi på en brøkdel af et sekund. Men Swift havde optaget et gamma-strålebombardement, der varede i relativt uendelige 51 sekunder - normalt signaturen på en meget anderledes type kosmisk drama.

Siden da har astronomer identificeret flere begivenheder som denne. Det seneste skete i marts, hvor det næstklareste gammastråleudbrud nogensinde varede i 35 sekunder. Igen observerede astronomer de rødmossede eftervirkninger af en neutronstjernekollision. De rekrutterede også James Webb Space Telescope at studere det bizarre udbrud og spottede tegn på det tunge grundstof tellur i det bundfældende støv.

Sammen bringer rækken af ​​observationer et nyt mysterium til et område af astronomi, som de fleste forskere havde anset for afgjort: Hvad får disse angiveligt hurtige, voldsomme begivenheder til at sprænge gammastråler ud i så lang tid? Det er et puslespil, astrofysikere bliver nødt til at løse, hvis de vil nå det mere ambitiøse mål om at forstå oprindelsen af ​​alle de forskellige elementer i universet, hvoraf mange er født af disse voldsomme udbrud.

"Jeg har været virkelig spændt på at se dette," sagde Daniel Kasen, en astrofysiker ved University of California, Berkeley, som har specialiseret sig i kosmiske eksplosioner. "Det har udgjort et rigtigt puslespil."

Kold Krig, strålende eksplosioner

I dag fanger Swift et gammastråleudbrud med få dages mellemrum. Men eksplosionerne var ukendte indtil højden af ​​den kolde krig, hvor de dukkede op ud af ingenting. I 1960'erne opsendte det amerikanske luftvåben Vela-satellitterne for at sikre, at Sovjetunionen overholdt et forbud mod atomvåbentest. Hvis sovjetterne detonerede en atombombe i rummet, ville det resulterende glimt af gammastråler - energiske bølger af lys så korte som kernen af ​​et atom - være umulige at skjule.

Satellitterne opdagede ingen sovjetiske krænkelser. Men mellem 1969 og 1972 tog de fart 16 mystiske glimt af gammastråler, som forskere ved Los Alamos National Laboratory fastslog at var af "kosmisk oprindelse".

I de følgende årtier tog NASA undersøgelsen op. Rumagenturet opsendte en dedikeret burst-jagt satellit i 1991, og i løbet af de næste ni år opdagede den næsten 3,000 gammastråleudbrud. Arrangementerne kom i to varianter: korte og lange. De fleste korte bursts varede mindre end et sekund, mens mange lange bursts varede i et minut eller længere (skillelinjen mellem de to varianter kommer på omkring to sekunder).

Uanset hvad der var årsag til disse udbrud syntes katastrofal; på mindre end halvdelen af ​​en popsangs varighed udsendte de omtrent lige så meget energi, som vores sol producerer over milliarder af år. Hvad kunne overhovedet flamme så stærkt? Astrofysikere var oprindeligt ikke sikre, men de enorme energier, der var involveret, pegede på verdensende katastrofer. Og de to varigheder antydede to typer katastrofer, en hurtigere, der varede omkring et sekund, og en (noget) langsommere, der udfoldede sig over et minut.

Astronomer fandt først oprindelsen til de langsommere udbrud. I slutningen af ​​1990'erne, da forskerne blev bedre til at udpege den retning, et udbrud kom fra, begyndte de at fange efterlys, der antydede kosmiske eksplosioner. Så, i 2003, så astronomer, der så en nærliggende efterglød strålende fyrværkeri af en supernova blot dage efter et langt gammastråleudbrud: Udbruddet havde signaleret det første stadie i en kæmpestjernes død.

At forstå den hurtigere katastrofe ville tage endnu et årti og skarpere værktøjer. Det banebrydende instrument viste sig at være NASAs Swift-satellit. Swift blev lanceret i 2004 og havde en meterlang mønstret blyplade, der kunne fange gammastråler fra et bredt skår af himlen. Det var afgørende, at det også besad den unikke evne til hurtigt at dreje et par indbyggede teleskoper i retning af ethvert astronomisk udbrud. (Ifølge viden blandt Swift-forskere blev denne peg-og-skyd-teknologi delvist udviklet til et andet forsvarsprojekt fra den kolde krig: Ronald Reagans strategiske forsvarsinitiativ - uformelt kendt som "Star Wars" - som havde til formål at skyde atommissiler ned midt under flyvningen. )

Med Swift kunne astronomer nu få øjnene op for et udbrud inden for to minutter - hurtigt nok til at fange efterglødene fra korte gammastråleudbrud for første gang. Mens de så den indledende blitz falme, så astronomer også tegn på en efterfølgende eksplosion, en eksplosion, der blev rødere med tiden. Astrofysikere beregnede snart, at denne rødme kunne forventes efter en fusion, der involverede en neutronstjerne (som kunne være et sammenbrud mellem to neutronstjerner eller mellem en neutronstjerne og et sort hul). En sådan kollision ville udstøde snavs, der blokerede kortere, blåere bølgelængder af lys. At matche disse eksplosioner, kaldet kilonovaer, med de korte gammastråleglimt, der gik forud for dem, gav stærke indicier for, at neutronstjernefusioner var den korte katastrofe.

Direkte beviser kom den 17. august 2017. To nærliggende neutronstjerner stødte sammen og rystede rumtidens stof og producerede gravitationsbølger, som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) kunne detektere. Ved at læse informationen kodet i disse krusninger, ville forskerne senere beregne massen af ​​de kolliderende objekter og lære, at de var neutronstjerner. Lige efter gravitationsbølgerne ankom, opfangede Fermi Gamma-ray Space Telescope et to sekunder langt gammastråleudbrud. Og i de følgende dage så astronomer den tydelige rødme af en kilonova på samme sted som gammastråleudbruddet. Det tre ryg-til-ryg observationer efterlod lidt plads til tvivl: Korte udbrud kunne komme fra neutronstjernefusioner.

"Det cementerede alt," sagde Brian Metzger, en astrofysiker ved Columbia University og en af ​​de teoretikere, der først forudsagde, hvordan kilonovaen efter en fusion ville se ud. "[Vi tænkte]" OK, dette billede giver virkelig mening."

Det billede begynder nu at briste.

En tredje akts twist

Først kom Rastinejads 51 sekunders sprængning i slutningen af ​​2021. Det lignede meget som et langt nærliggende udbrud fra 2006, der undrende nok så ud til at mangle en supernova. Men med moderne instrumenter og en dybere forståelse af, hvad de skulle kigge efter, var Rastinejad og kolleger i stand til at se, hvad astronomer i 2006 ikke havde: 2021-udbruddet blev efterfulgt af en svag rød kilonova.

Den observation ansporede Andrew Levan fra Radboud Universitet for at gense et mystisk udbrud på 64 sekunder, han havde undret sig over siden 2019. Udbruddet var gået ud i hjertet af en gammel galakse, hvor stjernefødsler og -dødsfald (i form af supernovaer) var ophørt for evigheder siden. I juni, Levan og hans samarbejdspartnere argumenterede at den mest sandsynlige forklaring på deres lange udbrud var, at to stjerneligninger - hvoraf mindst det ene sandsynligvis var en neutronstjerne - havde fundet hinanden og smeltet sammen.

Og nu har James Webb-rumteleskopet givet det klareste billede endnu af, hvad der kommer efter et unormalt udbrud. Da det 35 sekunder lange udbrud nåede Jorden den 7. marts, vendte Swifts gammastrålefølende blyplade i en anden retning. De energiske stråler blev hovedsageligt detekteret af Fermi, som fastlagde det som det næstklareste gammastråleudbrud nogensinde (følger en rekordbegivenhed i 2022).

I stedet for Swift brugte astronomer en interplanetarisk flåde af rumfartøjer (inklusive sonder på Mars og Merkur) til at lokalisere udbruddets position. I dagene efter, da teleskoper på jorden igen så den karakteristiske rødme af en kilonova, affyrede Levan hurtigt en nødanmodning om en næsten realtids JWST-observation af begivenheden. "Heldigvis for os sagde de ja," sagde Levan. "Det gjorde det muligt for os at få disse observationer omkring en måned efter det første udbrud."

JWST indsamlede en bonanza af data fra det bølgende affaldsfelt. Optiske teleskoper kan ikke se dybt ind i den tykke kilonova-sky af netop grunden til, at begivenheden fanger astrofysikere: Den spyr gigantiske, lysblokerende atomer ud gennem en mystisk kæde af begivenheder kendt som r-behandle.

Stjerner fusionerer typisk brintatomer til helium og smelter derefter lettere atomer sammen til noget tungere atomer som oxygen og kulstof. Det r-proces er en af ​​de eneste måder at springe direkte til de tungeste naturligt forekommende elementer. Det skyldes, at en neutronstjernekollision skaber en tæt malstrøm af neutroner. I kaosset ormer neutroner sig gentagne gange ind i atomkerner og danner meget ustabile og radioaktive atomer. Når neutroner i disse atomer henfalder, omdannes de til protoner. Hvis du ender med 78 protoner, er det et atom af platin. Hvis du får 79 protoner, er det guld.

De omfangsrige atomer, der er smedet af en neutronstjerne, der støver op, blokerer for synligt lys og skinner for det meste i infrarødt lys. Derfor var JWST - et infrarødt teleskop - så velegnet til at kigge ind i en kilonovasky. "Vi har aldrig observeret en kilonova med JWST før," sagde Metzger. "Det er det perfekte instrument."

I affaldet opdagede JWST telluratomer (52 protoner), hvilket bekræfter, at neutronstjernefusioner kan skabe de ret tunge grundstoffer mod slutningen af ​​den femte række i det periodiske system. "Det er et meget tungere element end dem, vi har set før," sagde Levan.

Men samtidig tilføjer JWST-observationen til den voksende erkendelse, at uanset hvor usandsynligt det engang virkede, kan fusioner, der involverer neutronstjerner, producere lange gammastråleudbrud. Spørgsmålet er nu: Hvordan?

Tætte genstande, lange udbrud

Supernovaer skyder lange gammastråleudbrud ud, fordi stjerneeksplosioner er relativt langsomme og rodede. En kæmpestjernes død starter med, at dens centrum kollapser i et sort hul. Efter det er sket, spiralerer en betydelig mængde af de ydre stjernestoffer - måske op til massen af ​​adskillige sole - ind i det sorte hul og sender kraftige stråler af partikler, der affyrer gammastråler ind i tomrummet i op til flere minutter.

Neutronstjernefusioner skulle derimod være overstået lynhurtigt. En neutronstjerne pakker massen af ​​en sol eller deromkring ind i en glat, lille kugle blot et par kilometer på tværs. Når to af disse tætte kugler støder sammen - eller når den ene slår ind i et sort hul - kollapser sagen til et sort hul. I løbet af den sidste krampe bliver langt mindre reststof smidt i kredsløb end i tilfælde af stjernekollaps. Mens det sorte hul tørklæder denne lette snack, som måske vejer 10 gange mindre end solen, driver den kortvarigt jetfly (og et gammastråleudbrud), der varer tiendedele af et sekund.

De nye observationer fra Levan, Rastinejad og andre kolliderer med dette hurtige og rene billede af neutronstjernefusioner. "Det giver ingen mening at have en 10-sekunders burst fra et system, der kun lever en brøkdel af et sekund," sagde Ore Gottlieb, en beregningsastrofysiker ved Flatiron Institute, som ikke var involveret i observationerne.

En mulighed er, at noget større og mere rodet end neutronstjerner udsender disse varige eksplosioner. Især ville deres længere varighed mere naturligt passe med en sammensmeltning mellem en hvid dværg - en større slags stjernelig efterladt, når en lille stjerne løber tør for brændstof - og et sort hul eller neutronstjerne. Det scenarie resulterer i mere stof omkring et sort hul. Men det er uklart, om kollisioner, der involverer hvide dværge, ville producere den rigtige slags gammastråleudbrud eller endda kilonovaer. "Hele fænomenet er blevet meget mindre undersøgt," sagde Kasen fra Berkeley. "Vi arbejder på det lige nu."

En anden mulighed er, at de lange gammastråler slet ikke kommer fra at feste nyfødte sorte huller. I stedet, hvis du smadrer to små neutronstjerner sammen, og den resulterende klat spinder hurtigt nok, kan den måske modstå at kollapse i et sort hul i et par minutter. Det kortlivede objekt ville være en stærkt magnetiseret neutronstjerne - en "magnetar" - der ville udsende et længere gammastråleudbrud, når dens snurring aftog. Metzger hjalp med at konkretisere dette scenarie, men selv han betragter det som en radikal idé. "Jeg er stadig bare med rette skeptisk over for det," sagde han.

Den mest konservative mulighed, sagde Metzger, er, at fusioner, der involverer neutronstjerner, bare er mere rodet, end astrofysikere troede. Over sommeren, detaljerede simuleringer fra et samarbejde ledet af Gottlieb antydede, at dette ofte kunne være tilfældet. Især når en let neutronstjerne møder et tilstrækkeligt tungt, roterende sort hul, spiraler neutronstjernen ind, og det sorte hul river den i stykker over hundreder af baner, hvilket efterlader en tungere skive af materiale, som det sorte hul har brug for titusvis af sekunder for at forbruge . Mens man simulerer kollisioner mellem neutronstjerner og sorte huller, Gottlieb, Metzger og samarbejdspartnere fandt ud af, at tungere diske, der driver længere gammastråleudbrud, var ret almindelige.

Faktisk, i et ironisk twist, producerede deres simuleringer ikke de ofte observerede korte udbrud så let, som de gjorde lange udbrud, hvilket rejste spørgsmål om, hvad der præcist driver de korte udbrud.

"Vi forstår ikke [fuldt] disse ting," sagde Gottlieb. "Jeg tror, ​​det er nok det største problem nu."

At udfylde hullerne

For at finde ud af, hvad der virkelig går ned, når døde stjerner kolliderer, bliver astronomer nødt til at fordoble deres indsats for at opbygge et detaljeret katalog over gammastråleudbrud, da det, de antog for at være en gruppe hovedsageligt supernova-drevne eksplosioner, nu ser ud til at være blandet sammen. med et ukendt antal neutronstjernefusioner. Det vil kræve jagt på kilonovaer - signaturen på kollisioner - efter både lange og korte. Hvis forskellen mellem lang og kort fortsætter, kan det være et tegn på, at der er mere end én måde at tilberede en kilonova på.

"Vi lærer, at hver gang der er en begivenhed, der er relativt tæt på, bør vi gå efter det," sagde Rastinejad.

LIGO vil også spille en afgørende rolle. Observatoriet var offline for opgraderinger under disse nylige mærkelige udbrud, men det er i øjeblikket midt i sit fjerde løb og lytter efter de fjerne kollisioner. Hvis LIGO kan opfange gravitationsbølger, der kommer fra et langt gammastråleudbrud, vil forskerne vide, om neutronstjerner eller sorte huller var involveret. Dette vil også give dem mulighed for at udelukke hvide dværge, som ikke gør gravitationsbølger detekterbare af LIGO. Detaljerede bevægelser i bølger ved fremtidige observatorier kan endda give hints om, hvorvidt det umiddelbare produkt var en magnetar eller et sort hul.

"[Gravitationsbølger] vil virkelig være den eneste endelige vej frem på dette spørgsmål," sagde Metzger.

Ved at fornemme gravitationsbullen fra neutronstjernefusioner og observere gammastråleudbrud og kilonovaer, kan astrofysikere i sidste ende nå deres langsigtede mål om fuldt ud at redegøre for oprindelsen af ​​hvert stof i universet - fra brint til platin til plutonium. For at gøre det skal de vide, hvilke typer fusioner der sker, hvor hyppige hver type er, hvilke elementer hver type producerer og i hvilke mængder, og hvilken rolle andre begivenheder som supernovaer spiller. Det er et skræmmende foretagende, der kun lige er begyndt.

"Der er stadig et kernemål med at udarbejde de astrofysiske steder, hvor hvert enkelt element i det periodiske system er dannet," sagde Levan. "Der er stadig tomrum, og så vi tror, ​​at dette begynder at udfylde flere af de vigtige tomrum."

Redaktørens note: Flatiron Institute er finansieret af Simons Foundation, som også finansierer dette redaktionelt uafhængige magasin. Hverken Flatiron Institute eller Simons Fonden har indflydelse på vores dækning. Mere information tilgængelig link..