انفجارهای بسیار طولانی نظریه های ما را در مورد فجایع کیهانی به چالش می کشند | مجله کوانتا

در 11 دسامبر 2021، پرتوی از پرتوهای گاما - پرانرژی ترین شکل نور - به ماهواره سوئیفت ناسا برخورد کرد. در عرض 120 ثانیه، ماهواره به سمت انفجار چرخید و اخگرهای درخشان یک فاجعه کیهانی را مشاهده کرد. ده دقیقه بعد، هشدارها برای ستاره شناسان در سراسر جهان ارسال شد.

در میان آنها بود جیلیان راستی نژاد، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه نورث وسترن. از نظر راستی نژاد و همکارانش، این انفجار پرتو گاما به طرز عجیبی شبیه یک انفجار غیرعادی در سال 2006 بود. راستی نژاد با رصدخانه جمینی در هاوایی تماس گرفت و محققان را در آنجا دعوت کرد تا عمیقاً به قسمتی از آسمان که انفجار از آنجا آمده بود خیره شوند. چند روز بعد، زمانی که ابرها به درون راه افتادند، محققی در رصدخانه MMT در آریزونا مسئولیت را بر عهده گرفت و تمام تلاش خود را کرد تا تلسکوپ را روی نقطه محو نور در فاصله یک میلیارد سال نوری آموزش ببیند.

راستی نژاد گفت: با توجه به اینکه هوا در آنجا هم تغییر می کرد، کار کوچکی نبود. او هر روز حوالی ساعت 4 صبح برای ما سوراخی در ابرها پیدا می کرد.

در زمانی که زنجیره مشاهدات یک هفته یا بیشتر به پایان رسید، راستی نژاد و همکارانش ایده بسیار خوبی از آنچه آن پرتوهای گاما را در سراسر جهان پرتاب کرده بود، داشتند. همانطور که آنها تماشا کرده بودند، عواقب پس از انفجار قرمز و قرمزتر شده بود - نشانه ای غیرقابل انکار که در زباله ها، اتم های سنگینی مانند طلا و پلاتین در حال جعل هستند. منبع اصلی چنین کیمیاگری کیهانی، برخوردهای ستارگان نوترونی، هسته های متراکم غیرقابل تصور خورشیدهای مرده است.

تنها مشکل این بود که چنین نتیجه گیری غیرممکن به نظر می رسید. اخترفیزیکدانان گمان می کنند که وقتی ستاره های نوترونی ادغام می شوند، همه چیز در کسری از ثانیه تمام می شود. اما سوئیفت یک بمباران پرتو گاما را به مدت 51 ثانیه ضبط کرده بود - که معمولاً نشانه‌ای از نوع بسیار متفاوتی از درام کیهانی است.

از آن زمان، ستاره شناسان رویدادهای بیشتری از این قبیل را شناسایی کرده اند. آخرین مورد در ماه مارس رخ داد، زمانی که دومین انفجار پرنور پرتو گاما تا به حال 35 ثانیه به طول انجامید. دوباره، ستاره شناسان عواقب گلگون یک برخورد ستاره نوترونی را مشاهده کردند. آنها همچنین تلسکوپ فضایی جیمز وب را به خدمت گرفتند برای مطالعه انفجار عجیب و نشانه هایی از عنصر سنگین تلوریم در گرد و غبار ته نشین شده مشاهده شد.

رشته مشاهدات با هم، معمایی جدیدی را به حوزه ای از نجوم که اکثر محققان آن را حل شده می دانستند، به ارمغان می آورد: چه چیزی باعث می شود که این رویدادهای ظاهراً سریع و خشونت آمیز پرتوهای گاما را برای مدت طولانی منفجر کنند؟ این معمایی است که اخترفیزیکدانان باید آن را حل کنند اگر بخواهند به هدف بلندپروازانه‌تر درک منشأ همه عناصر مختلف در جهان دست یابند که بسیاری از آنها از این طغیان‌های خشونت‌آمیز زاده شده‌اند.

گفت: "من واقعاً از دیدن این موضوع هیجان زده شده ام." دانیل کاسن، اخترفیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی که در انفجارهای کیهانی تخصص دارد. "این یک پازل واقعی است."

جنگ سرد، انفجارهای درخشان

امروزه سوئیفت هر چند روز یک بار یک انفجار پرتو گاما می گیرد. اما این انفجارها تا اوج جنگ سرد ناشناخته بودند، زمانی که آنها از ناکجاآباد ظاهر شدند. در دهه 1960، نیروی هوایی ایالات متحده ماهواره های Vela را به فضا پرتاب کرد تا مطمئن شود که اتحاد جماهیر شوروی از ممنوعیت آزمایش سلاح هسته ای تبعیت می کند. اگر شوروی یک بمب هسته‌ای را در فضا منفجر می‌کرد، درخشش پرتوهای گاما - امواج پر انرژی نور به کوتاهی هسته یک اتم - غیرممکن بود که پنهان شود.

ماهواره ها هیچ تخلف شوروی را شناسایی نکردند. اما بین سال‌های 1969 تا 1972، آن‌ها موفق شدند 16 فلاش مرموز پرتوهای گامایی که محققان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس تشخیص دادند که منشا کیهانی دارد.

در دهه‌های بعد، ناسا این تحقیقات را آغاز کرد. آژانس فضایی یک ماهواره شکار انفجاری اختصاصی در سال 1991 و طی نه سال بعد، نزدیک به 3,000 انفجار پرتو گاما را شناسایی کرد. این رویدادها در دو نوع برگزار شد: کوتاه و بلند. اکثر انفجارهای کوتاه کمتر از یک ثانیه طول می کشند، در حالی که بسیاری از انفجارهای طولانی مدت یک دقیقه یا بیشتر طول می کشند (خط تقسیم بین دو طعم حدود دو ثانیه است).

هر چیزی که باعث این انفجارها می شد فاجعه آمیز به نظر می رسید. در کمتر از نیمی از مدت زمان یک آهنگ پاپ، آنها تقریباً به همان اندازه انرژی که خورشید ما طی میلیاردها سال تولید می کند، ساطع کردند. چه چیزی ممکن است به این شدت روشن باشد؟ اخترفیزیکدانان در ابتدا مطمئن نبودند، اما انرژی های فوق العاده ای که درگیر بود به فجایع پایان یافتن جهان اشاره می کرد. و این دو مدت زمان حاکی از دو نوع فاجعه بود، یکی سریع‌تر که حدود یک ثانیه طول می‌کشد و دیگری (تا حدودی) کندتر که در طول یک دقیقه آشکار می‌شود.

ستاره شناسان ابتدا منشا انفجارهای آهسته تر را پیدا کردند. در اواخر دهه 1990، زمانی که محققان در تعیین دقیق جهت انفجار از آن بهتر شدند، شروع به گرفتن نورهای پسین کردند که به انفجارهای کیهانی اشاره می کرد. سپس، در سال 2003، اخترشناسانی که در حال تماشای یک تابش پسین در نزدیکی بودند، آن را دیدند آتش بازی درخشان یک ابرنواختر تنها چند روز پس از انفجار طولانی پرتو گاما: این انفجار اولین مرحله مرگ یک ستاره غول پیکر را نشان می داد.

درک فاجعه سریعتر به یک دهه دیگر و ابزارهای تیزتر نیاز دارد. ابزار پیشرفت ثابت شد که ماهواره سوئیفت ناسا است. سوئیفت که در سال 2004 راه اندازی شد، دارای یک صفحه سربی طرح دار به طول یک متر بود که می توانست پرتوهای گاما را از قسمت وسیعی از آسمان به دام بیاندازد. مهمتر از همه، این دستگاه همچنین دارای توانایی منحصر به فرد برای چرخاندن سریع یک جفت تلسکوپ درونی در جهت هر طغیان نجومی بود. (طبق اطلاعات دانشمندان سوئیفت، این فناوری نقطه و شلیک تا حدی برای یک پروژه دفاعی دیگر در جنگ سرد توسعه یافته است: ابتکار دفاع استراتژیک رونالد ریگان - که به طور غیر رسمی به عنوان "جنگ ستارگان" شناخته می شود - که هدف آن سرنگونی موشک های هسته ای در اواسط پرواز بود. )

با سوئیفت، اخترشناسان اکنون می‌توانند در عرض دو دقیقه به یک انفجار چشم بیندازند - به اندازه‌ای سریع که برای اولین بار پس‌تابش‌های کوتاه پرتو گاما را مشاهده کنند. در حین مشاهده محو شدن فلاش اولیه، اخترشناسان همچنین نشانه هایی از یک انفجار متعاقب را مشاهده کردند، انفجاری که با گذشت زمان قرمزتر شد. اخترفیزیکدانان به زودی محاسبه کردند که این قرمزی پس از ادغام یک ستاره نوترونی (که می تواند درهم شکستگی بین دو ستاره نوترونی یا بین یک ستاره نوترونی و یک سیاهچاله باشد) قابل انتظار است. چنین برخوردی زباله‌هایی را که طول موج‌های کوتاه‌تر و آبی‌تر نور را مسدود می‌کنند، بیرون می‌کند. تطبیق آن انفجارها، که کیلونووا نامیده می‌شوند، با فلاش‌های مختصر پرتو گاما که قبل از آن‌ها رخ می‌دهد، شواهد محکمی را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد ادغام ستاره‌های نوترونی یک فاجعه کوتاه است.

شواهد مستقیم در 17 آگوست 2017 رخ داد. دو ستاره نوترونی نزدیک به هم برخورد کردند و بافت فضا-زمان را تکان دادند و امواج گرانشی تولید کردند که رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) می توانست آنها را تشخیص دهد. با خواندن اطلاعات رمزگذاری شده در آن امواج، دانشمندان بعداً جرم اجسام در حال برخورد را محاسبه کردند و متوجه شدند که آنها ستاره های نوترونی هستند. درست پس از رسیدن امواج گرانشی، تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی یک انفجار پرتو گاما به مدت دو ثانیه را دریافت کرد. و در روزهای بعد، اخترشناسان قرمز شدن یک کیلونوا را در همان نقطه ای که انفجار پرتو گاما رخ داد، مشاهده کردند. این سه مشاهده پشت سر هم جای کمی برای شک باقی مانده است: انفجارهای کوتاه ممکن است از ادغام ستاره های نوترونی به وجود بیایند.

گفت: "این همه چیز را محکم کرد." برایان متزگراخترفیزیکدان دانشگاه کلمبیا و یکی از نظریه پردازانی که اولین بار پیش بینی کرد که کیلونوا پس از ادغام چگونه خواهد بود. "[ما فکر کردیم]" خوب، این عکس واقعا منطقی است."

آن عکس اکنون شروع به شکستن کرده است.

چرخش پرده سوم

اول راستی نژاد آمد انفجار 51 ثانیه ای در اواخر سال 2021. شباهت زیادی به یک انفجار طولانی در نزدیکی سال 2006 داشت که به طرز شگفت انگیزی به نظر می رسید فاقد یک ابرنواختر است. اما با ابزارهای مدرن و درک عمیق‌تر از آنچه که باید به دنبال آن باشید، راستی‌نژاد و همکارانش توانستند آنچه را که ستاره‌شناسان در سال ۲۰۰۶ نداشتند ببینند: انفجار سال ۲۰۲۱ با یک کیلونوا قرمز کم‌رنگ دنبال شد.

آن مشاهده تحریک شد اندرو لوان از دانشگاه رادبود برای بازبینی یک انفجار اسرارآمیز 64 ثانیه ای که از سال 2019 در مورد آن گیج شده بود. انفجار در قلب یک کهکشان باستانی رخ داده بود که در آن تولد و مرگ ستاره ها (به شکل ابرنواخترها) سال ها پیش متوقف شده بود. در ماه ژوئن، لوان و همکارانش با هم بحث کردند که محتمل ترین توضیح برای انفجار طولانی آنها این بود که دو جسد ستاره ای - حداقل یکی از آنها احتمالاً یک ستاره نوترونی بود - یکدیگر را پیدا کرده و با هم ادغام شدند.

و اکنون، تلسکوپ فضایی جیمز وب واضح‌ترین تصویر را از آنچه پس از یک انفجار غیرعادی رخ می‌دهد، ارائه کرده است. هنگامی که انفجار 35 ثانیه ای در 7 مارس به زمین رسید، صفحه سربی حسگر اشعه گامای سوئیفت در جهت دیگری قرار داشت. پرتوهای پرانرژی عمدتاً توسط فرمی شناسایی شدند، که آن را به عنوان دومین انفجار پرتو گاما در تمام دوران می‌نمود. یک رویداد ثبت رکورد در 2022).

به جای سوئیفت، اخترشناسان از ناوگان بین سیاره ای فضاپیما (شامل کاوشگرهای مریخ و عطارد) برای تعیین دقیق موقعیت انفجار استفاده کردند. در روزهای پس از آن، زمانی که تلسکوپ‌های روی زمین دوباره قرمز شدن علامت یک کیلونوا را دیدند، لوان به سرعت درخواست اضطراری برای رصد تقریباً بی‌درنگ JWST از رویداد را انجام داد. لوان گفت: "از شانس ما، آنها گفتند بله." این به ما این امکان را داد که آن مشاهدات را حدود یک ماه پس از انفجار اولیه دریافت کنیم.

JWST حجم زیادی از داده ها را از میدان زباله های متحرک جمع آوری کرد. تلسکوپ‌های نوری نمی‌توانند اعماق ابر ضخیم کیلونووا را ببینند، دقیقاً به همین دلیل است که این رویداد اخترفیزیکدانان را مجذوب خود می‌کند: اتم‌های غول‌پیکر و مسدودکننده نور از طریق زنجیره‌ای مخفی از رویدادها به بیرون پرتاب می‌کنند. r-روند.

ستارگان معمولاً اتم‌های هیدروژن را به هلیوم می‌جوشند و سپس اتم‌های سبک‌تر را به اتم‌های سنگین‌تری مانند اکسیژن و کربن تبدیل می‌کنند. این r-فرآیند یکی از تنها راه‌های پرش مستقیم به سنگین‌ترین عناصر طبیعی است. به این دلیل که برخورد ستاره نوترونی باعث ایجاد گرداب متراکمی از نوترون ها می شود. در هرج و مرج، نوترون ها بارها و بارها راه خود را به هسته های اتمی می زنند و اتم های بسیار ناپایدار و رادیواکتیو تشکیل می دهند. همانطور که نوترون ها در این اتم ها تجزیه می شوند، به پروتون تبدیل می شوند. اگر در نهایت 78 پروتون داشته باشید، این یک اتم پلاتین است. اگر 79 پروتون بدست آورید، طلاست.

اتم های حجیمی که توسط گرد و غبار ستاره نوترونی ساخته می شوند، نور مرئی را مسدود می کنند و بیشتر در نور مادون قرمز می درخشند. به همین دلیل است که JWST - یک تلسکوپ مادون قرمز - برای نگاه کردن به ابر کیلونووا بسیار مناسب بود. متزگر گفت: "ما قبلا هرگز یک کیلونوا را با JWST مشاهده نکرده بودیم." "این ساز عالی است."

در زباله‌ها، JWST اتم‌های تلوریم (52 پروتون) را مشاهده کرد که تأیید می‌کند که ادغام ستاره‌های نوترونی می‌تواند عناصر نسبتاً سنگین را به سمت انتهای ردیف پنجم جدول تناوبی ایجاد کند. لوان گفت: «این عنصر بسیار سنگین‌تر از عناصری است که قبلاً دیده‌ایم.

اما در عین حال، مشاهدات JWST به این درک فزاینده می‌افزاید که، صرف نظر از اینکه زمانی چقدر بعید به نظر می‌رسید، ادغام ستاره‌های نوترونی می‌تواند انفجارهای طولانی پرتو گاما ایجاد کند. اکنون سؤال این است: چگونه؟

اجسام متراکم، انفجارهای طولانی

ابرنواخترها انفجارهای طولانی اشعه گاما را شلیک می کنند زیرا انفجارهای ستاره ای نسبتاً کند و کثیف هستند. مرگ یک ستاره غول پیکر با فروپاشی مرکز آن به یک سیاهچاله آغاز می شود. پس از این اتفاق، مقدار قابل توجهی از مواد ستاره خارجی - شاید به جرم چندین خورشید اضافه شود - به درون سیاهچاله می‌پیچد و فواره‌های قدرتمندی از ذرات را پرتاب می‌کند که پرتوهای گاما را تا چند دقیقه به درون فضای خالی پرتاب می‌کنند.

ادغام ستاره های نوترونی، در مقابل، قرار است در یک لحظه به پایان برسد. یک ستاره نوترونی جرم یک خورشید یا بیشتر را در یک کره صاف و کوچک به عرض چند مایل جمع می کند. وقتی دو تا از آن گوی های متراکم با هم برخورد می کنند - یا وقتی یکی به سیاهچاله برخورد می کند - ماده به یک سیاهچاله فرو می ریزد. در طی آن اسپاسم نهایی، ماده باقیمانده بسیار کمتری نسبت به ریزش ستاره به مدار پرتاب می‌شود. همانطور که سیاهچاله روسری این خوراکی سبک را که ممکن است 10 برابر کمتر از خورشید وزن داشته باشد، فرو می‌برد، برای مدت کوتاهی به جت‌ها (و انفجار پرتو گاما) به مدت دهم ثانیه نیرو می‌دهد.

مشاهدات جدید لوان، راستی نژاد و دیگران با این تصویر سریع و تمیز از ادغام ستاره های نوترونی در تضاد است. گفت: «هیچ معنایی ندارد که یک انفجار 10 ثانیه ای از سیستمی داشته باشیم که تنها کسری از ثانیه زندگی می کند. سنگ معدن گوتلیب، یک اخترفیزیکدان محاسباتی در موسسه Flatiron که با مشاهدات درگیر نبود.

یک احتمال این است که چیزی بزرگتر و آشفته تر از ستارگان نوترونی این انفجارهای پایدار را ارسال می کند. به طور خاص، مدت طولانی‌تر آن‌ها به طور طبیعی با ادغام بین یک کوتوله سفید - یک نوع بزرگ‌تر از جسد ستاره‌ای که با تمام شدن سوخت یک ستاره کوچک باقی می‌ماند - و یک سیاه‌چاله یا ستاره نوترونی مطابقت دارد. این سناریو منجر به ایجاد ماده بیشتر در اطراف سیاهچاله می شود. اما مشخص نیست که آیا برخوردهای کوتوله‌های سفید می‌توانند انواع مناسبی از انفجارهای پرتو گاما یا حتی کیلونوا ایجاد کنند. کاسن از برکلی گفت: «کل این پدیده بسیار کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است. "ما در حال حاضر روی آن کار می کنیم."

گزینه دیگر این است که انفجارهای طولانی اشعه گاما به هیچ وجه از سیاهچاله های تازه متولد شده به وجود نمی آیند. درعوض، اگر دو ستاره نوترونی کوچک را به هم بکوبید و حباب به‌اندازه کافی سریع بچرخد، ممکن است برای چند دقیقه در برابر فروپاشی به درون سیاه‌چاله مقاومت کند. این جسم کوتاه‌مدت یک ستاره نوترونی بسیار مغناطیسی خواهد بود - یک "مغناطیس" - که با کاهش سرعت چرخشش، انفجار پرتو گاما طولانی‌تری از خود ساطع می‌کند. متزگر به این سناریو کمک کرد، اما حتی او آن را یک تصور رادیکال می‌داند. او گفت: "من هنوز به درستی به آن شک دارم."

متزگر گفت، محافظه‌کارانه‌ترین احتمال این است که ادغام‌هایی که شامل ستارگان نوترونی می‌شود، آشفته‌تر از آن چیزی است که اخترفیزیکدانان فکر می‌کردند. در طول تابستان، شبیه سازی های دقیق از یک همکاری به رهبری گوتلیب نشان داد که ممکن است اغلب چنین باشد. به ویژه، هنگامی که یک ستاره نوترونی سبک با یک سیاهچاله در حال چرخش به اندازه کافی سنگین برخورد می کند، ستاره نوترونی به صورت مارپیچی وارد می شود و سیاهچاله آن را در صدها مدار تکه تکه می کند و دیسک سنگین تری از مواد باقی می گذارد که سیاهچاله به ده ها ثانیه برای مصرف آن نیاز دارد. . هنگام شبیه سازی برخورد بین ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها، گوتلیب، متزگر و همکاران دریافتند که دیسک های سنگین تر باعث انفجار پرتو گاما طولانی تر می شوند.

در واقع، شبیه‌سازی‌های آن‌ها در یک چرخش طعنه‌آمیز، انفجارهای کوتاه اغلب مشاهده‌شده را به آسانی به‌اندازه انفجارهای طولانی تولید نمی‌کنند، و این سؤالاتی را در مورد اینکه دقیقاً چه چیزی انفجارهای کوتاه را نیرو می‌دهد، ایجاد می‌کند.

گوتلیب گفت: «ما [کاملا] این چیزها را درک نمی کنیم. "من فکر می کنم این احتمالا بزرگترین مشکل در حال حاضر است."

پر کردن شکاف ها

برای فهمیدن اینکه واقعاً هنگام برخورد ستارگان مرده چه چیزی فرو می‌رود، اخترشناسان باید تلاش خود را برای ساختن فهرستی دقیق از انفجارهای پرتو گاما مضاعف کنند، زیرا اکنون به نظر می‌رسد آنچه که آنها تصور می‌کردند دسته‌ای از انفجارهای عمدتاً هدایت‌شده توسط ابرنواخترها باشد، با هم مخلوط شده است. با تعداد نامعلومی از ادغام ستاره های نوترونی. این امر مستلزم شکار کیلونواها - نشانه برخورد - پس از انفجارهای طولانی و کوتاه است. اگر تمایز بین بلند و کوتاه ادامه پیدا کند، می‌تواند نشانه‌ای از این باشد که بیش از یک راه برای پختن کیلونووا وجود دارد.

راستی نژاد گفت: «ما در حال یادگیری این هستیم که هر زمان که رویدادی نزدیک است، باید آن را دنبال کنیم.

LIGO نیز نقش مهمی ایفا خواهد کرد. رصدخانه برای ارتقاء در طول این انفجارهای عجیب و غریب اخیر آفلاین بود، اما در حال حاضر در میانه چهارمین دوره خود است و به برخوردهای دور گوش می دهد. اگر LIGO بتواند امواج گرانشی ناشی از یک انفجار طولانی پرتو گاما را دریافت کند، دانشمندان متوجه خواهند شد که آیا ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها در آن نقش داشته اند. این همچنین به آن‌ها اجازه می‌دهد تا کوتوله‌های سفید را که امواج گرانشی را توسط LIGO قابل تشخیص نیستند، رد کنند. تکان‌های دقیق امواج در رصدخانه‌های آینده ممکن است حتی نکاتی را در مورد اینکه آیا محصول فوری یک مگنتار یا یک سیاه‌چاله بود، ارائه دهد.

متزگر گفت: «[امواج گرانشی] واقعاً تنها راه قطعی پیش روی این سؤال خواهد بود.

اخترفیزیکدانان با تشخیص غرش گرانشی ادغام ستاره های نوترونی و رصد انفجارهای پرتو گاما و کیلونوواها، ممکن است در نهایت به هدف بلندمدت خود در توضیح کامل منشأ هر ماده در جهان - از هیدروژن گرفته تا پلاتین و پلوتونیوم، دست یابند. برای انجام این کار، آن‌ها باید بدانند که چه نوع ادغام‌هایی اتفاق می‌افتد، هر نوع چقدر فراوان است، هر نوع چه عناصری را تولید می‌کند و در چه مقداری، و رویدادهای دیگر مانند ابرنواخترها چه نقشی دارند. این یک کار دلهره آور است که تازه شروع شده است.

لوان گفت: «هنوز یک هدف اصلی کار کردن مکان‌های اخترفیزیکی وجود دارد که در آن تک تک عناصر جدول تناوبی تشکیل می‌شوند. "هنوز جاهای خالی وجود دارد، و بنابراین ما فکر می کنیم که این شروع به پر کردن چندین مورد از آن خالی های مهم می کند."

یادداشت سردبیر: مؤسسه Flatiron توسط بنیاد سیمونز تأمین مالی می شود که این مجله مستقل را نیز تأمین می کند. نه موسسه Flatiron و نه بنیاد سیمونز هیچ تاثیری بر پوشش ما ندارند. اطلاعات بیشتر در دسترس است اینجا کلیک نمایید.