Eriti pikad plahvatused seavad väljakutse meie kosmiliste kataklüsmide teooriatele | Quanta ajakiri

11. detsembril 2021 põrkas NASA satelliidi Swift vastu gammakiirte kiir, mis on kõige energilisem valguse vorm. 120 sekundi jooksul oli satelliit pöördunud plahvatuse poole ja märkas kosmilise katastroofi hõõguvaid süsi. Kümme minutit hiljem saadeti hoiatused astronoomidele üle kogu maailma.

Nende hulgas oli Jillian Rastinejad, Northwesterni ülikooli magistrant. Rastinejadi ja tema kaastöötajate jaoks tundus see gammakiirguse purse veidralt sarnane 2006. aasta ebahariliku purskega. Rastinejad kutsus Hawaiil Gemini observatooriumi ja kutsus sinna teadlased vaatama sügavalt seda taevalaiku, kust purse tuli. Mõni päev hiljem, kui pilved sisse veeresid, võttis Arizonas asuv MMT observatooriumi teadur selle üle, andes endast parima, et hoida teleskoopi treenituna miljardi valgusaasta kaugusel hääbuval valgustäpil.

Rastinejad ütles, et see polnud väike saavutus, arvestades, et ka seal ilm pöördus. "Ta leidis meie jaoks iga päev kella nelja paiku pilvedest augu."

Selleks ajaks, kui vaatlusahel oli umbes nädal hiljem lõppenud, oli Rastinejadil ja tema kolleegidel üsna hea ettekujutus sellest, mis oli need gammakiirgused üle universumi vallandanud. Sel ajal, kui nad seda jälgisid, muutusid purse tagajärjed aina punasemaks – see oli eksimatu märk sellest, et prahis sepistati raskeid aatomeid nagu kuld ja plaatina. Sellise kosmilise alkeemia peamiseks allikaks on kokkupõrked neutrontähtede, surnud päikeste kujuteldamatult tihedate tuumadega.

Ainus probleem oli selles, et selline järeldus tundus võimatu. Kui neutrontähed ühinevad, kahtlustavad astrofüüsikud, on kõik sekundi murdosaga läbi. Kuid Swift oli salvestanud gammakiirguse pommitamise, mis kestis suhteliselt lõputult 51 sekundit – tavaliselt väga erinevat tüüpi kosmilise draama tunnuseks.

Sellest ajast alates on astronoomid tuvastanud rohkem selliseid sündmusi. Viimane juhtus märtsis, kui erksuselt teine ​​gammakiirgus, mis kunagi tuvastatud, kestis 35 sekundit. Jällegi jälgisid astronoomid neutrontähtede kokkupõrke punakaid tagajärgi. Nad värbasid ka James Webbi kosmoseteleskoobi veidrat lööki uurida ja settivas tolmus täpilisi märke raskest elemendist telluurist.

Vaatluste jada toob üheskoos uue mõistatuse astronoomia valdkonda, mida enamik teadlasi pidas lahendatuks: mis põhjustab nende väidetavalt kiirete ja vägivaldsete sündmuste nii kaua gammakiirgust välja paiskamise? See on mõistatus, mille astrofüüsikud peavad lahendama, kui nad tahavad saavutada ambitsioonikamat eesmärki mõista kõigi universumi erinevate elementide päritolu, millest paljud on sündinud nendest vägivaldsetest puhangutest.

"Ma olen seda nähes väga põnevil," ütles Daniel Kasen, astrofüüsik California ülikoolist Berkeleys, kes on spetsialiseerunud kosmilistele plahvatustele. "See on tõeline mõistatus."

Külm sõda, hiilgavad plahvatused

Täna tabab Swift gammakiirguse iga paari päeva tagant. Kuid plahvatused olid teadmata kuni külma sõja haripunktini, mil need ilmusid eikusagilt. 1960. aastatel saatsid USA õhujõud õhku Vela satelliidid, et veenduda Nõukogude Liidus tuumarelvakatsetuste keelust kinnipidamises. Kui nõukogude võim plahvataks kosmoses tuumapommi, oleks sellest tulenevat gammakiirte sähvatust – aatomituuma pikkune energilisi valguslaineid – võimatu varjata.

Satelliidid ei tuvastanud nõukogude rikkumisi. Kuid aastatel 1969–1972 nad tõusid 16 salapärast sähvatust gammakiirgust, mille Los Alamose riikliku labori teadlased leidsid olevat "kosmilise päritoluga".

Järgnevatel aastakümnetel asus NASA uurima. Kosmoseagentuur käivitas a spetsiaalne purskejahi satelliit aastal 1991 ja järgmise üheksa aasta jooksul tuvastas see ligi 3,000 gammakiirgust. Üritusi oli kahte tüüpi: lühikesi ja pikki. Enamik lühikesi katkestusi kestis alla sekundi, samas kui paljud pikad katkestused kestsid minut või kauem (eraldusjoon kahe maitse vahel on umbes kaks sekundit).

Mis iganes neid purskeid põhjustas, tundus katastroofiline; vähem kui poole poplaulu kestusest eraldasid nad umbes sama palju energiat, kui meie päike miljardite aastate jooksul toodab. Mis võiks nii eredalt leekida? Astrofüüsikud polnud esialgu kindlad, kuid kaasatud tohutud energiad viitasid maailmalõpulistele kataklüsmidele. Ja need kaks kestust viitasid kahte tüüpi katastroofidele: kiirem, mis kestab umbes sekundi, ja (mõnevõrra) aeglasem, mis areneb üle minuti.

Astronoomid leidsid kõigepealt aeglasema purske päritolu. 1990. aastate lõpus, kui teadlastel õnnestus paremini määrata plahvatuse suunda, hakkasid nad tabama kosmilistele plahvatustele vihjavaid järelhelendusi. Seejärel, aastal 2003, nägid astronoomid, kes jälgisid lähedalasuvat järelvalgust supernoova hiilgav ilutulestik vaid mõni päev pärast pikka gammakiirgust: purse andis märku hiiglasliku tähe surma esimesest etapist.

Kiirema kataklüsmi mõistmine võtaks veel kümne aasta ja teravamad tööriistad. Läbimurdeliseks instrumendiks osutus NASA Swift satelliit. 2004. aastal turule toodud Swiftil oli meetripikkune mustriga pliiplaat, mis võis püüda gammakiirgust laialt taevast. Ülioluline on see, et sellel oli ka ainulaadne võime pöörata kiiresti paar pardal asuvat teleskoopi mis tahes astronoomiliste puhangute suunas. (Swifti teadlaste pärimuse kohaselt töötati see suuna- ja tulistamistehnoloogia välja osaliselt teise külma sõja kaitseprojekti jaoks: Ronald Reagani strateegilise kaitse algatuse jaoks – mitteametlikult tuntud kui "Tähesõjad" -, mille eesmärk oli tuumarakettide allatulistamine lennu keskel. )

Swifti abil said astronoomid nüüd kahe minuti jooksul silmad ette - piisavalt kiiresti, et esimest korda tabada lühikeste gammakiirguse järelhelanguid. Esialgse välgu tuhmumist jälgides nägid astronoomid ka märke järgnevast plahvatusest, mis aja jooksul muutus punasemaks. Astrofüüsikud arvutasid peagi, et seda punetust on oodata pärast neutrontähe ühinemist (mis võib olla kahe neutrontähe või neutrontähe ja musta augu vaheline purunemine). Selline kokkupõrge paiskaks välja prahti, mis blokeeris lühemad ja sinisemad valguse lainepikkused. Nende plahvatuste, mida nimetati kilonovateks, sobitamine neile eelnenud lühikeste gammakiirguse välkudega andis tugevaid kaudseid tõendeid selle kohta, et neutrontähtede ühinemine oli lühike katastroof.

Otsesed tõendid saabus 17. augustil 2017. Kaks lähedalasuvat neutrontähte põrkasid kokku ja raputasid aegruumi kangast, tekitades gravitatsioonilaineid, mida Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) suutis tuvastada. Nendes lainetustes kodeeritud teavet lugedes arvutasid teadlased hiljem kokku põrkuvate objektide massid ja saavad teada, et need olid neutrontähed. Vahetult pärast gravitatsioonilainete saabumist võttis Fermi gammakiirguse kosmoseteleskoop üles kahe sekundi pikkuse gammakiirguse purske. Ja järgmistel päevadel nägid astronoomid gammakiirguse purskega samas kohas, et kilonova punetab. The kolm vastastikku tähelepanekut jättis vähe ruumi kahtlustele: lühikesed pursked võivad tuleneda neutrontähtede ühinemisest.

"See kinnitas kõike," ütles Brian Metzger, Columbia ülikooli astrofüüsik ja üks teoreetikutest, kes esimest korda ennustas, milline kilonova pärast ühinemist välja näeb. "[Me arvasime]" OK, see pilt on tõesti mõttekas.

See pilt hakkab nüüd purunema.

Kolmanda akti keerdkäik

Kõigepealt tulid Rastinejadi omad 51-sekundiline sari 2021. aasta lõpus. See nägi välja palju nagu 2006. aasta lähedal asetsev pikaajaline purse, millel näis mõistatuslikult puuduvat supernoova. Kuid tänu kaasaegsetele instrumentidele ja sügavamale arusaamisele, mida otsida, suutsid Rastinejad ja kolleegid näha seda, mida astronoomidel 2006. aastal polnud: 2021. aasta purskele järgnes tuhmpunane kilonova.

See tähelepanek kannustas Andrew Levan Radboudi ülikoolist, et vaadata uuesti läbi salapärane 64-sekundiline spurt, mille üle ta oli 2019. aastast saati pead murdnud. Purse oli toimunud iidse galaktika südames, kus tähtede sünd ja surm (supernoova kujul) lakkas eooneid tagasi. juunil, Levan ja tema kaastöötajad vaidlesid et nende pika plahvatuse kõige tõenäolisem seletus oli see, et kaks tähelaipa – millest vähemalt üks oli tõenäoliselt neutrontäht – olid teineteist leidnud ja ühinenud.

Ja nüüd on James Webbi kosmoseteleskoop andnud seni kõige selgema ülevaate sellest, mis toimub pärast anomaalset purunemist. Kui 35-sekundiline purse 7. märtsil Maale jõudis, oli Swifti gammakiirgust tuvastav pliiplaat suunatud teises suunas. Energeetilised kiired tuvastas peamiselt Fermi, kes pidas seda kõigi aegade ereduselt teiseks gammakiirguseks (pärast rekordi püstitav sündmus aastal 2022).

Swifti asemel kasutasid astronoomid purske asukoha kindlaksmääramiseks planeetidevahelist kosmoselaeva (sealhulgas Marsi ja Merkuuri sondid). Järgnevatel päevadel, kui maapealsed teleskoobid nägid taas kilonova signatuuri punetust, andis Levan kiiresti välja hädapäringu sündmuse peaaegu reaalajas JWST-vaatluseks. "Meie õnneks ütlesid nad jah," ütles Levan. "See võimaldas meil need tähelepanekud saada umbes kuu pärast esialgset purunemist."

JWST kogus lainevalt prahiväljalt hulga andmeid. Optilised teleskoobid ei näe sügavale paksu kilonova pilve just sel põhjusel, miks sündmus köidab astrofüüsikuid: see paiskab välja hiiglaslikke valgust blokeerivaid aatomeid läbi varjatud sündmuste ahela, mida nimetatakse r- protsess.

Tähed sulatavad tavaliselt vesinikuaatomid heeliumiks ja seejärel kergemad aatomid mõnevõrra raskemateks aatomiteks, nagu hapnik ja süsinik. The r-protsess on üks ainsaid viise, kuidas hüpata otse kõige raskemate looduslikult esinevate elementide juurde. Selle põhjuseks on asjaolu, et neutrontähtede kokkupõrge tekitab tiheda neutronite keerise. Kaoses tungivad neutronid korduvalt aatomituumadesse, moodustades väga ebastabiilseid ja radioaktiivseid aatomeid. Nende aatomite neutronite lagunemisel muunduvad nad prootoniteks. Kui teil on 78 prootonit, on see plaatina aatom. Kui saate 79 prootonit, on see kuld.

Neutrontähe tolmu tekitanud mahukad aatomid blokeerivad nähtava valguse ja paistavad enamasti infrapunavalguses. Seetõttu sobis JWST – infrapunateleskoop – nii hästi kilonova pilve piilumiseks. "Me pole kunagi varem JWST-ga kilonovat täheldanud," ütles Metzger. "See on ideaalne instrument."

Prahis märkas JWST telluuriaatomeid (52 prootonit), mis kinnitab, et neutrontähtede ühinemine võib perioodilise tabeli viienda rea ​​lõpus sepistada üsna raskeid elemente. "See on palju raskem element kui need, mida oleme varem näinud," ütles Levan.

Kuid samal ajal lisab JWST-i tähelepanek kasvavat arusaama, et hoolimata sellest, kui ebatõenäoline see kunagi tundus, võivad neutrontähtede ühinemised tekitada pikki gammakiirguse purskeid. Nüüd on küsimus: kuidas?

Tihedad objektid, pikad katkestused

Supernoovad tulistavad välja pikki gammakiirguse purskeid, kuna tähtede plahvatused on suhteliselt aeglased ja segased. Hiiglasliku tähe surm algab selle keskpunkti kokkuvarisemisest mustaks auguks. Pärast seda liigub märkimisväärne osa välistest tähematerjalidest – võib-olla mitme päikese massiks – spiraalselt musta auku, paisates õhku võimsaid osakeste jugasid, mis lasevad kuni mitmeks minutiks tühjusesse gammakiirgust.

Seevastu neutrontähtede ühinemine peaks olema hetkega läbi. Neutrontäht koondab umbes päikesemassi siledaks väikeseks sfääriks, mille läbimõõt on vaid paar miili. Kui kaks neist tihedatest orbidest kokku põrkuvad – või kui üks tabab musta auku – variseb aine kokku mustaks auguks. Selle viimase spasmi ajal paiskub orbiidile palju vähem ainejääke kui tähe kokkuvarisemise korral. Kui must auk laseb selle kerge suupiste, mis võib kaaluda 10 korda vähem kui päike, salli alla, annab see lühiajaliselt jõujoad (ja gammakiirguse purse), mis kestavad kümnendiksekunditest.

Levani, Rastinejadi ja teiste uued tähelepanekud on vastuolus selle kiire ja puhta pildiga neutrontähtede ühinemisest. "Süsteemist, mis elab vaid murdosa sekundist, pole mõtet omada 10-sekundilist sarivõtet," ütles ta. Maagi Gottlieb, Flatironi Instituudi arvutuslik astrofüüsik, kes ei olnud vaatlustega seotud.

Üks võimalus on, et neid kestvaid plahvatusi saadab välja midagi suuremat ja segasemat kui neutronitähed. Eelkõige sobiks nende pikem kestus loomulikumalt valge kääbuse – suuremat sorti tähelaipa, mis jääb maha, kui väikese tähe kütus otsa saab – ja musta augu või neutrontähe ühinemisega. Selle stsenaariumi tulemuseks on rohkem ainet, mis ümbritseb musta auku. Kuid pole selge, kas valgete kääbustega kokkupõrked tekitaksid õiget tüüpi gammakiirguse purskeid või isegi kilonovasid. "Kogu nähtust on palju vähem uuritud," ütles Kasen Berkeleyst. "Me töötame selle kallal praegu."

Teine võimalus on see, et pikad gammakiirguse pursked ei tule üldse vastsündinud mustade aukude söömisest. Selle asemel, kui lööte kokku kaks pisikest neutrontähte ja tekkiv plekk pöörleb piisavalt kiiresti, võib see mõne minuti vastu mustaks auguks kokku kukkuda. Lühiealiseks objektiks oleks tugevalt magnetiseeritud neutrontäht – "magnetaar" -, mis kiirgaks keerlemise aeglustudes pikema gammakiirguse puhangu. Metzger aitas seda stsenaariumi täpsustada, kuid isegi tema peab seda radikaalseks ideeks. "Ma olen selle suhtes ikka veel õigustatult skeptiline," ütles ta.

Kõige konservatiivsem võimalus, ütles Metzger, on see, et neutrontähtede ühinemised on lihtsalt segasemad, kui astrofüüsikud arvasid. Suve jooksul, üksikasjalikud simulatsioonid Gottliebi juhitud koostööst selgus, et see võib sageli nii olla. Kui kerge neutrontäht kohtub piisavalt raske pöörleva musta auguga, siis neutrontäht spiraalib sisse ja must auk purustab selle sadade orbiitide jooksul, jättes alles raskema materjaliketta, mida must auk vajab kulutamiseks kümneid sekundeid. . Vaheliste kokkupõrgete simuleerimisel neutrontähed ja mustad augud, Gottlieb, Metzger ja kaastöötajad leidsid, et raskemad kettad, mis edastavad pikemaid gammakiirguse purskeid, on üsna tavalised.

Tegelikult ei andnud nende simulatsioonid iroonilise pöördena sageli vaadeldud lühikesi sarivõtte nii kergesti kui pikki sarivõtteid, tekitades küsimusi selle kohta, mis täpselt lühikesi saringuid annab.

"Me ei saa neist asjadest [täielikult] aru," ütles Gottlieb. "Ma arvan, et see on praegu ilmselt suurim probleem."

Lünkade täitmine

Et välja selgitada, mis surnud tähtede kokkupõrkel tegelikult alla läheb, peavad astronoomid kahekordistama oma jõupingutusi, et koostada üksikasjalik gammakiirguse purskete kataloog, kuna see, mida nad arvasid olevat peamiselt supernoova poolt põhjustatud plahvatused, näib nüüd olevat segamini. teadmata arvu neutrontähtede ühinemistega. Selleks on vaja jahtida kilonovasid – kokkupõrgete tunnuseid – nii pikkade kui ka lühikeste purunemiste järel. Kui pika ja lühikese vahet tehakse, võib see olla märk sellest, et kilonova küpsetamiseks on rohkem kui üks viis.

"Me õpime, et iga kord, kui toimub mõni sündmus, mis on suhteliselt lähedal, peaksime sellega tegelema," ütles Rastinejad.

LIGO mängib samuti olulist rolli. Vaatluskeskus oli nende hiljutiste veidruste ajal uuenduste jaoks võrguühenduseta, kuid praegu on see keset oma neljandat katset ja kuulab kaugeid kokkupõrkeid. Kui LIGO suudab korjata pikast gammakiirguse purskest tulenevaid gravitatsioonilaineid, saavad teadlased teada, kas tegemist oli neutronitähe või mustade aukudega. See võimaldab neil välistada ka valged kääbused, mis ei muuda LIGO abil gravitatsioonilaineid tuvastatavaks. Üksikasjalikud lainete kõikumised tulevastes vaatluskeskustes võivad isegi anda vihjeid selle kohta, kas vahetu toode oli magnetar või must auk.

"[Gravitatsioonilained] on tõesti ainus kindel tee selles küsimuses," ütles Metzger.

Tundes neutrontähtede ühinemise gravitatsioonilist mürinat ning vaadeldes gammakiirguse purskeid ja kilonovasid, võivad astrofüüsikud lõpuks täita oma pikaajalise eesmärgi võtta täielikult arvesse iga universumi aine päritolu – vesinikust plaatina ja plutooniumini. Selleks peavad nad teadma, mis tüüpi ühinemised toimuvad, kui sageli iga tüüp on, milliseid elemente iga tüüp toodab ja millises koguses ning millist rolli mängivad teised sündmused, nagu supernoova. See on hirmuäratav ettevõtmine, mis alles algab.

"Siiski on põhieesmärk välja töötada astrofüüsikalised kohad, kus moodustuvad perioodilisuse tabeli kõik elemendid, " ütles Levan. "Ikka on lünki ja seetõttu arvame, et see hakkab täitma mitut olulist lünka."

Toimetaja märkus: Flatironi instituuti rahastab Simonsi fond, mis rahastab ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja. Flatironi instituut ega Simonsi fond ei mõjuta meie kajastust. Lisateave saadaval siin.