Erikoispitkät räjähdykset haastavat teoriamme kosmisista kataklysmeistä | Quanta-lehti

Joulukuun 11. päivänä 2021 gammasäde, joka on energisin valomuoto, osui NASAn Swift-satelliittiin. 120 sekunnissa satelliitti oli kääntynyt kohti räjähdystä ja havainnut kosmisen katastrofin hehkuvan hiillos. Kymmenen minuuttia myöhemmin hälytyksiä lähetettiin tähtitieteilijöille ympäri maailmaa.

Heidän joukossaan oli Jillian Rastinejad, jatko-opiskelija Northwestern Universitystä. Rastinejadille ja hänen yhteistyökumppaneilleen tämä gammapurkaus näytti oudosti samanlaiselta kuin epätavallinen purkaus vuodelta 2006. Rastinejad kutsui Gemini-observatorion Havaijilla ja värväsi sinne tutkijoita tuijottamaan syvään taivaanpalaa, josta purkaus oli peräisin. Muutamaa päivää myöhemmin, kun pilvet vierivät, Arizonassa sijaitsevan MMT-observatorion tutkija otti vallan ja teki parhaansa pitääkseen kaukoputken harjoitteltuna miljardin valovuoden päässä häipyvässä valopisteessä.

Se ei ollut pieni saavutus, kun otetaan huomioon, että sää oli kääntymässä myös siellä, Rastinejad sanoi. "Hän löysi meille reiän pilvistä joka päivä kello neljän aikoihin."

Kun havaintoketju oli päättynyt noin viikkoa myöhemmin, Rastinejadilla ja hänen kollegoillaan oli melko hyvä käsitys siitä, mikä oli sytyttänyt nuo gammasäteet maailmankaikkeuden halki. Kun he olivat katselleet, räjähdyksen jälki oli muuttunut punaisemmaksi ja punaisemmaksi - selvä merkki siitä, että roskissa oli takottu raskaita atomeja, kuten kultaa ja platinaa. Tällaisen kosmisen alkemian päälähde ovat törmäykset, joissa on mukana neutronitähtiä, kuolleiden aurinkojen uskomattoman tiheitä ytimiä.

Ainoa ongelma oli, että tällainen johtopäätös vaikutti mahdottomalta. Kun neutronitähdet sulautuvat, astrofyysikot epäilevät, että kaikki on ohi sekunnin murto-osassa. Mutta Swift oli tallentanut gammasädepommituksen, joka kesti suhteellisen loputtomasti 51 sekuntia – tavallisesti hyvin erilaisen kosmisen draaman tunnusmerkki.

Sittemmin tähtitieteilijät ovat tunnistaneet enemmän tämän kaltaisia ​​tapahtumia. Viimeisin tapahtui maaliskuussa, jolloin toiseksi kirkkain koskaan havaittu gammapurkaus kesti 35 sekuntia. Jälleen tähtitieteilijät havaitsivat neutronitähtien törmäyksen punertavan jälkimainingin. He myös värväsivät James Webbin avaruusteleskoopin tutkia outoa purskahdusta ja täpliä merkkejä raskaasta elementistä telluurista laskeutuvassa pölyssä.

Yhdessä havaintojen sarja tuo uuden mysteerin tähtitieteen alueelle, jonka useimmat tutkijat olivat pitäneet ratkaistuina: Mikä saa nämä oletettavasti nopeat, väkivaltaiset tapahtumat räjäyttämään gammasäteitä niin pitkään? Se on arvoitus, jonka astrofyysikot joutuvat ratkaisemaan, jos he haluavat saavuttaa kunnianhimoisemman tavoitteen ymmärtää kaikkien universumin eri elementtien alkuperä, joista monet ovat syntyneet näistä väkivaltaisista purkauksista.

"Olen ollut todella innoissani nähdessäni tämän", sanoi Daniel Kasen, astrofyysikko Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä, joka on erikoistunut kosmisiin räjähdyksiin. "Se on asettanut todellisen palapelin."

Kylmä sota, loistavia räjähdyksiä

Nykyään Swift saa gammapurskeen muutaman päivän välein. Mutta räjäytykset olivat tuntemattomia kylmän sodan huipulle asti, jolloin ne ilmestyivät tyhjästä. 1960-luvulla Yhdysvaltain ilmavoimat laukaisivat Vela-satelliitit varmistaakseen, että Neuvostoliitto noudattaa ydinkoekieltoa. Jos neuvostoliittolaiset räjäyttäisivät ydinpommin avaruudessa, tuloksena olevaa gammasäteiden välähdystä – atomin ytimen lyhyitä energeettisiä valoaaltoja – olisi mahdotonta piilottaa.

Satelliitit eivät havainneet Neuvostoliiton rikkomuksia. Mutta vuosien 1969 ja 1972 välillä he nousivat 16 salaperäistä välähdystä gammasäteilystä, jonka Los Alamos National Laboratoryn tutkijat totesivat olevan "kosmista alkuperää".

Seuraavina vuosikymmeninä NASA ryhtyi tutkimaan. Avaruusjärjestö laukaisi a omistettu purkausmetsästyssatelliitti vuonna 1991 ja seuraavien yhdeksän vuoden aikana se havaitsi lähes 3,000 gammapurkausta. Tapahtumia oli kahta erilaista: lyhyitä ja pitkiä. Useimmat lyhyet purskeet kestivät alle sekunnin, kun taas monet pitkät purskeet kestivät minuutin tai pidempään (jakoviiva kahden maun välillä tulee noin kahdessa sekunnissa).

Mikä tahansa aiheutti nämä purkaukset, vaikutti katastrofaaliselta; alle puolessa popkappaleen kestosta ne säteilivät suunnilleen yhtä paljon energiaa kuin aurinkomme tuottaa miljardeja vuosia. Mikä voisikaan palaa niin kirkkaasti? Astrofyysikot eivät aluksi olleet varmoja, mutta mukana olleet valtavat energiat viittasivat maailmanloppuuviin kataklysmeihin. Ja nämä kaksi kestoa vihjasivat kahdentyyppisiin katastrofeihin, nopeampi, joka kestää noin sekunnin ja (hieman) hitaampi, joka kehittyi minuutin aikana.

Tähtitieteilijät löysivät ensin hitaampien purkausten alkuperän. 1990-luvun lopulla, kun tutkijat selvittivät paremmin, mistä suunnasta räjähdys tuli, he alkoivat havaita jälkihehkuja, jotka vihjasivat kosmisiin räjähdyksiin. Sitten vuonna 2003 läheistä jälkihohtoa katselleet tähtitieteilijät näkivät sen supernovan loistava ilotulitus vain päiviä pitkän gammapurkauksen jälkeen: Purkaus oli merkki jättimäisen tähden kuoleman ensimmäisestä vaiheesta.

Nopeamman kataklysmin ymmärtäminen vaatisi vielä vuosikymmenen ja terävämpiä työkaluja. Läpimurtoväline osoittautui NASAn Swift-satelliitiksi. Vuonna 2004 lanseeratussa Swiftissä oli metrin pituinen kuviollinen lyijylevy, joka pystyi pyytämään gammasäteitä laajalta taivaalta. Ratkaisevaa on, että sillä oli myös ainutlaatuinen kyky kääntää nopeasti kaksi kaukoputkea minkä tahansa tähtitieteellisen purkauksen suuntaan. (Swift-tieteilijöiden perimätiedon mukaan tämä osoita ja ammu -tekniikka kehitettiin osittain toista kylmän sodan puolustusprojektia varten: Ronald Reaganin Strategic Defence Initiative -hankkeelle, joka tunnetaan epävirallisesti nimellä "Star Wars", jonka tarkoituksena oli ampua alas ydinohjuksia kesken lennon. )

Swiftin avulla tähtitieteilijät saattoivat nyt nähdä purskeen kahdessa minuutissa – riittävän nopeasti lyhyiden gammapurkausten jälkihehkujen havaitsemiseksi ensimmäistä kertaa. Kun tähtitieteilijät katselivat alkusalaman hiipumista, he näkivät myös merkkejä seuraavasta räjähdyksestä, joka punastui ajan myötä. Astrofyysikot laskivat pian, että tämä punoitus oli odotettavissa neutronitähden sulautumisen jälkeen (joka voi olla kahden neutronitähden tai neutronitähden ja mustan aukon välinen räjähdys). Tällainen törmäys karkottaisi roskia, jotka estivät lyhyempiä, sinisempiä valon aallonpituuksia. Näiden kilonovaksi kutsuttujen räjähdysten yhdistäminen niitä edeltäneisiin lyhyisiin gammasäteen välähdyksiin tarjosi vahvaa todistetta siitä, että neutronitähtien sulautuminen oli lyhyt katastrofi.

Suorat todisteet tuli 17. elokuuta 2017. Kaksi lähellä olevaa neutronitähteä törmäsi ja ravisteli aika-avaruuskudosta tuottaen gravitaatioaaltoja, jotka Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) pystyi havaitsemaan. Lukemalla noihin aaltoiluihin koodatut tiedot tutkijat laskevat myöhemmin törmäysten massat ja oppivat, että ne olivat neutronitähtiä. Heti gravitaatioaaltojen saapumisen jälkeen Fermi-gamma-avaruusteleskooppi poimi kahden sekunnin pituisen gammapurskeen. Ja seuraavina päivinä tähtitieteilijät näkivät kilonovan punoittavan ilmaisua samassa kohdassa kuin gammapurkaus. The kolme peräkkäistä havaintoa jätti vähän tilaa epäilyksille: Lyhyet purskeet voivat johtua neutronitähtien sulautumisesta.

"Se vahvisti kaiken", sanoi Brian Metzger, astrofyysikko Columbian yliopistosta ja yksi teoreetikoista, jotka ensin ennustivat, miltä kilonova fuusion jälkeen näyttäisi. "[Ajattelimme] "OK, tämä kuva on todella järkevä.""

Tämä kuva alkaa nyt murtua.

Kolmannen näytöksen käänne

Ensin tuli Rastinejad's 51 sekunnin jakso loppuvuodesta 2021. Se näytti pitkälti pitkältä läheiseltä purskeelta vuodelta 2006, josta hämmentävästi näytti puuttuvan supernova. Mutta nykyaikaisilla instrumenteilla ja syvemmällä ymmärryksellä siitä, mitä etsiä, Rastinejad ja kollegat pystyivät näkemään, mitä tähtitieteilijöillä vuonna 2006 ei ollut: Vuoden 2021 purskahdusta seurasi himmeä punainen kilonova.

Tämä havainto kannusti Andrew Levan Radboudin yliopistosta palatakseen salaperäiseen 64 sekunnin jaksoon, jota hän oli ihmetellyt vuodesta 2019 lähtien. Purkaus oli tapahtunut muinaisen galaksin sydämessä, jossa tähtien syntymät ja kuolemat (supernovien muodossa) olivat lakanneet aikoja sitten. Kesäkuussa, Levan ja hänen työtoverinsa väittelivät että todennäköisin selitys heidän pitkälle purkautumiseen oli se, että kaksi tähtiruumista - joista ainakin toinen oli luultavasti neutronitähti - olivat löytäneet toisensa ja sulautuneet yhteen.

Ja nyt James Webb -avaruusteleskooppi on tarjonnut tähän mennessä selkeimmän kuvan siitä, mitä tapahtuu poikkeavan purkauksen jälkeen. Kun 35 sekunnin purske saavutti maan 7. maaliskuuta, Swiftin gammasäteilyä mittaava lyijylevy oli eri suuntaan. Energiset säteet havaitsi pääasiassa Fermi, joka piti sitä kaikkien aikojen toiseksi kirkkaimmaksi gammapurskeeksi (seuraavana ennätystapahtuma in 2022).

Swiftin sijasta tähtitieteilijät käyttivät planeettojen välistä avaruusaluksia (mukaan lukien Marsin ja Merkuriuksen luotaimet) pursauksen sijainnin määrittämiseen. Myöhemmin, kun maassa olevat kaukoputket näkivät jälleen kilonovan punaisen punaisen, Levan lähetti nopeasti hätäpyynnön tapahtuman lähes reaaliaikaisesta JWST-havainnoinnista. "Onneksi he sanoivat kyllä", Levan sanoi. "Tämän ansiosta saimme nämä havainnot noin kuukauden kuluttua ensimmäisestä purkauksesta."

JWST keräsi valtavan määrän tietoja aaltoilevalta roskakentältä. Optiset teleskoopit eivät näe syvälle paksuun kilonovapilveen juuri siitä syystä, että tapahtuma kiehtoo astrofyysikot: se siivittää jättiläismäisiä, valoa estäviä atomeja läpi arkaanisen tapahtumaketjun, joka tunnetaan nimellä r-käsitellä asiaa.

Tähdet tyypillisesti yhdistävät vetyatomeja heliumiin ja sitten myöhemmin kevyemmät atomit jonkin verran raskaammiksi atomeiksi, kuten hapeksi ja hiileksi. The r-prosessi on yksi ainoista tavoista hypätä suoraan raskaimpiin luonnossa esiintyviin elementteihin. Tämä johtuu siitä, että neutronitähtien törmäys luo tiheän neutronien pyörteen. Kaaoksessa neutronit tunkeutuvat toistuvasti atomiytimiin muodostaen erittäin epävakaita ja radioaktiivisia atomeja. Kun näiden atomien neutronit hajoavat, ne muuttuvat protoneiksi. Jos saat 78 protonia, se on platinaatomi. Jos saat 79 protonia, se on kultaa.

Neutronitähden pölyämästä muodostamat isot atomit estävät näkyvän valon ja loistavat enimmäkseen infrapunavalossa. Siksi JWST - infrapunateleskooppi - soveltui niin hyvin kilonova-pilveen kurkistamiseen. "Emme ole koskaan aiemmin havainneet kilonovaa JWST:n kanssa", Metzger sanoi. "Se on täydellinen instrumentti."

JWST havaitsi roskissa telluuriatomeja (52 protonia), mikä vahvistaa, että neutronitähtien fuusio voi muodostaa melko raskaita alkuaineita jaksollisen järjestelmän viidennen rivin loppua kohti. "Se on paljon raskaampi elementti kuin ne, jotka olemme nähneet aiemmin", Levan sanoi.

Mutta samaan aikaan JWST-havainto lisää kasvavaa ymmärrystä siitä, että riippumatta siitä, kuinka epätodennäköiseltä se joskus tuntui, neutronitähtien fuusiot voivat tuottaa pitkiä gammapurkauksia. Kysymys kuuluu nyt: miten?

Tiheät esineet, pitkät purskeet

Supernovat ampuvat pitkiä gammapurskeita, koska tähtien räjähdykset ovat suhteellisen hitaita ja sotkuisia. Jättiläisen tähden kuolema alkaa sen keskustan romahtamisesta mustaan ​​aukkoon. Sen jälkeen huomattava määrä ulkopuolista tähtimateriaalia - ehkä useiden aurinkojen massaksi - kiertyy mustaan ​​aukkoon ja laukaisee voimakkaita hiukkassuihkuja, jotka laukaisevat gammasäteitä tyhjiöön jopa useiden minuuttien ajaksi.

Neutronitähtien fuusioiden sen sijaan oletetaan olevan ohi hetkessä. Neutronitähti pakkaa noin auringon massan sileäksi, pieneksi palloksi, jonka halkaisija on vain muutaman mailin. Kun kaksi noista tiheistä palloista törmää - tai kun yksi osuu mustaan ​​aukkoon - aine romahtaa mustaksi aukoksi. Viimeisen kouristuksen aikana kiertoradalle heitetään paljon vähemmän jäljelle jäänyttä ainetta kuin tähtien romahtamisen tapauksessa. Kun musta aukko huivit alas tämän kevyen välipalan, joka saattaa painaa 10 kertaa vähemmän kuin aurinko, se laukaisee hetkellisesti suihkut (ja gammapurkaus), jotka kestävät sekunnin kymmenesosia.

Levanin, Rastinejadin ja muiden uudet havainnot ovat ristiriidassa tämän nopean ja puhtaan kuvan kanssa neutronitähtien sulautumisesta. "Ei ole mitään järkeä saada 10 sekunnin purske järjestelmästä, joka elää vain sekunnin murto-osan", sanoi Malmi Gottlieb, laskennallinen astrofyysikko Flatiron Institutesta, joka ei ollut mukana havainnoissa.

Yksi mahdollisuus on, että jotain suurempaa ja sotkumpaa kuin neutronitähdet lähettää näitä kestäviä räjähdyksiä. Erityisesti niiden pidempi kesto sopisi luonnollisemmin yhteen sulautumiseen valkoisen kääpiön – suuremman tyyppisen tähtiruumiin, joka jää jäljelle, kun pienen tähden polttoaine loppuu – ja mustan aukon tai neutronitähden välillä. Tämä skenaario johtaa siihen, että mustaa aukkoa ympäröi enemmän ainetta. Mutta on epäselvää, tuottaisivatko valkoisten kääpiöiden törmäykset oikeanlaisia ​​gammapurskeita tai jopa kilonovaja. "Koko ilmiötä on tutkittu paljon vähemmän", sanoi Kasen Berkeleystä. "Työstämme sitä parhaillaan."

Toinen vaihtoehto on, että pitkät gammapurskeet eivät tule ollenkaan vastasyntyneiden mustien aukkojen nauttimisesta. Sen sijaan, jos murskaat yhteen kaksi pientä neutronitähteä ja tuloksena oleva möykky pyörii tarpeeksi nopeasti, se saattaa vastustaa romahtamista mustaksi aukoksi muutaman minuutin ajan. Lyhytikäinen esine olisi voimakkaasti magnetoitunut neutronitähti - "magnetaari" -, joka lähettäisi pidemmän gammapurskeen, kun sen pyöriminen hidastuu. Metzger auttoi konkretisoimaan tätä skenaariota, mutta jopa hän pitää sitä radikaalina ajatuksena. "Olen edelleen aivan oikeutetusti skeptinen sen suhteen", hän sanoi.

Metzgerin mukaan konservatiivisin mahdollisuus on, että neutronitähtien fuusiot ovat vain sotkuisempia kuin astrofyysikot ajattelivat. Kesän yli, yksityiskohtaiset simulaatiot Gottliebin johtama yhteistyö ehdotti, että näin saattaa usein käydä. Erityisesti, kun kevyt neutronitähti kohtaa riittävän raskaan pyörivän mustan aukon, neutronitähti kiertyy sisään ja musta aukko murskaa sen satojen kiertoradan yli jättäen jäljelle raskaamman materiaalikiekon, jonka musta aukko tarvitsee kuluttaakseen kymmeniä sekunteja. . Simuloimalla välisiä törmäyksiä neutronitähdet ja mustat aukot, Gottlieb, Metzger ja yhteistyökumppanit havaitsivat, että raskaammat levyt, jotka tuottavat pidempiä gammapurskeita, olivat melko yleisiä.

Itse asiassa, ironisella käänteellä, heidän simulaatioidensa eivät tuottaneet usein havaittuja lyhyitä purskeita yhtä helposti kuin pitkiä purskeita, mikä herätti kysymyksiä siitä, mikä lyhyissä purskeissa tarkalleen ottaen toimii.

"Emme [täysin] ymmärrä näitä asioita", Gottlieb sanoi. "Luulen, että tämä on luultavasti suurin ongelma nyt."

Aukkojen täyttäminen

Saadakseen selville, mitä todella tapahtuu, kun kuolleet tähdet törmäävät, tähtitieteilijät joutuvat kaksinkertaistamaan ponnistelunsa laatiakseen yksityiskohtaisen luettelon gammapurkauksista, koska se, mitä he oletettiin olevan joukko pääasiassa supernova-iskuja, näyttää nyt olevan sekaisin. joidenkin tuntemattomien neutronitähtien fuusioiden kanssa. Se vaatii kilonovien – törmäysten tunnusmerkkien – metsästystä sekä pitkien että lyhyiden purskeiden jälkeen. Jos pitkän ja lyhyen ero säilyy, se voi olla merkki siitä, että kilonovaa voi valmistaa useammalla kuin yhdellä tavalla.

"Oppimme, että aina kun on tapahtuma, joka on suhteellisen lähellä, meidän pitäisi mennä siihen", Rastinejad sanoi.

LIGO on myös tärkeässä roolissa. Observatorio oli offline-tilassa päivitysten vuoksi näiden viimeaikaisten omituisten purskeiden aikana, mutta se on parhaillaan puolivälissä neljättä kierrostaan ​​ja kuuntelee kaukaisia ​​törmäyksiä. Jos LIGO pystyy poimimaan gravitaatioaaltoja, jotka tulevat pitkästä gammapurkauksesta, tiedemiehet tietävät, olivatko mukana neutronitähtiä vai mustia aukkoja. Näin he voivat myös sulkea pois valkoiset kääpiöt, jotka eivät tee LIGO:n havaittavia gravitaatioaaltoja. Yksityiskohtaiset heilutukset aalloissa tulevissa observatorioissa saattavat jopa antaa vihjeitä siitä, oliko välitön tuote magnetaari vai musta aukko.

"[Gravitaatioaallot] ovat todella ainoa lopullinen tapa edetä tässä kysymyksessä", Metzger sanoi.

Aistimalla neutronitähtien yhteenliittymien gravitaatiokohinat ja havainnoimalla gammapurkausta ja kilonovaa astrofyysikot voivat lopulta saavuttaa pitkän aikavälin tavoitteensa ottaa täysin huomioon kaikkien universumin aineiden alkuperä - vedystä platinaan plutoniumiin. Tätä varten heidän on tiedettävä, millaisia ​​sulautumisia tapahtuu, kuinka usein kukin tyyppi on, mitä elementtejä kukin tyyppi tuottaa ja missä määrin sekä mikä rooli muilla tapahtumilla, kuten supernovilla, on. Se on pelottava yritys, joka on vasta alussa.

"Ydintavoite on edelleen selvittää astrofysikaaliset paikat, joissa jokainen jaksollisen järjestelmän elementti muodostuu", Levan sanoi. "On vielä tyhjiä kohtia, joten uskomme, että tämä alkaa täyttää useita noista tärkeistä aukoista."

Toimittajan huomautus: Flatiron-instituuttia rahoittaa Simons Foundation, joka rahoittaa myös tätä toimituksellisesti riippumatonta lehteä. Flatiron Institutella tai Simons Foundationilla ei ole vaikutusta kattavuuteemme. Lisätietoja saatavilla tätä.