Extra hosszú robbanások megkérdőjelezik a kozmikus kataklizmákkal kapcsolatos elméleteinket | Quanta Magazin

11. december 2021-én egy gamma-sugár – a fény legenergetikusabb formája – becsapódott a NASA Swift műholdjába. 120 másodpercen belül a műhold a robbanás felé fordult, és egy kozmikus katasztrófa izzó parazsát észlelte. Tíz perccel később riasztásokat küldtek a csillagászoknak szerte a világon.

Közöttük volt Jillian Rastinejad, a Northwestern Egyetem végzős hallgatója. Rastinejad és munkatársai számára ez a gammasugár-kitörés furcsán hasonlított egy 2006-os szokatlan kitöréshez. Rastinejad felhívta a hawaii Gemini Obszervatóriumot, és oda hívta a kutatókat, hogy mélyen bámulják az égboltot, ahonnan a kitörés származott. Néhány nappal később, amikor a felhők beborultak, az arizonai MMT Obszervatórium egyik kutatója vette át az irányítást, és mindent megtett annak érdekében, hogy a távcsövet az egymilliárd fényévnyire lévő, halványuló fényfolton tartsa.

Ez nem kis teljesítmény, tekintve, hogy ott is megfordult az időjárás – mondta Rastinejad. „Minden nap hajnali 4 óra körül talált nekünk egy lyukat a felhők között.”

Mire a megfigyelések láncolata egy héttel később véget ért, Rasztinejad és kollégái elég jó elképzelésük volt arról, hogy mi lőtte ki ezeket a gamma-sugarakat az univerzumban. Ahogy nézték, a robbanás következményei egyre vörösebbek lettek – félreérthetetlen jele annak, hogy a törmelékben nehéz atomok, például arany és platina kovácsolódnak. Az ilyen kozmikus alkímia fő forrása a neutroncsillagok, a holt napok elképzelhetetlenül sűrű magjainak ütközései.

Az egyetlen probléma az volt, hogy egy ilyen következtetés lehetetlennek tűnt. Amikor a neutroncsillagok egyesülnek, az asztrofizikusok azt gyanítják, hogy minden a másodperc töredéke alatt véget ér. De Swift rögzített egy gammasugár-bombázást, amely viszonylag végtelenül 51 másodpercig tartott – ez általában egy egészen más típusú kozmikus dráma jele.

Azóta a csillagászok több ehhez hasonló eseményt azonosítottak. A legutóbbi márciusban történt, amikor a valaha észlelt második legfényesebb gamma-kitörés 35 másodpercig tartott. A csillagászok ismét megfigyelték a neutroncsillagok ütközésének vöröses utóhatásait. Beszervezték a James Webb Űrteleszkópot is hogy tanulmányozza a bizarr kitörést és az ülepedő porban a tellúr nehéz elem foltos nyomait.

A megfigyelések sorozata együtt egy új rejtélyt hoz a csillagászat azon területére, amelyet a legtöbb kutató megoldottnak tekintett: Mi okozza, hogy ezek az állítólagos gyors, heves események ilyen hosszú ideig kifújják a gamma-sugarakat? Ez egy olyan rejtvény, amelyet az asztrofizikusoknak meg kell oldaniuk, ha el akarják érni azt az ambiciózusabb célt, hogy megértsék az univerzum különböző elemeinek eredetét, amelyek közül sok ezekből az erőszakos kitörésekből származik.

„Nagyon izgatott voltam, hogy ezt láttam” – mondta Daniel Kasen, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa, aki kozmikus robbanásokra specializálódott. – Igazi rejtvényt állított fel.

Hidegháború, ragyogó robbanások

Ma Swift néhány naponta elkap egy gamma-kitörést. De a robbanások ismeretlenek voltak egészen a hidegháború csúcsáig, amikor is a semmiből jelentek meg. Az 1960-as években az Egyesült Államok légiereje felbocsátotta a Vela műholdakat, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a Szovjetunió betartja az atomfegyver-kísérleti tilalmat. Ha a szovjetek felrobbantanak egy atombombát az űrben, a keletkező gamma-sugarak felvillanását – az atommagnál rövidebb energiájú fényhullámokat – lehetetlen lenne elrejteni.

A műholdak nem észleltek szovjet jogsértést. De 1969 és 1972 között felvettek 16 titokzatos villanás A Los Alamos National Laboratory kutatói megállapították, hogy „kozmikus eredetűek” a gamma-sugarak.

A következő évtizedekben a NASA megkezdte a vizsgálatot. Az űrügynökség elindította a dedikált robbanásvadász műhold 1991-ben, és a következő kilenc évben közel 3,000 gamma-kitörést észlelt. Az eseményeknek két változata volt: rövid és hosszú. A legtöbb rövid sorozat egy másodpercnél rövidebb ideig tartott, míg sok hosszú sorozat egy percig vagy tovább tartott (a két íz közötti választóvonal körülbelül két másodperc).

Bármi okozta is ezeket a kitöréseket, katasztrofálisnak tűnt; egy popdal időtartamának kevesebb mint fele alatt körülbelül annyi energiát bocsátottak ki, mint amennyit a napunk több milliárd év alatt termel. Mi lángolhat ilyen fényesen? Az asztrofizikusok eleinte nem voltak biztosak benne, de a benne rejlő hatalmas energiák világvégi kataklizmákat mutattak. A két időtartam pedig kétféle katasztrófát sejtet, egy gyorsabb egy másodperc körüli és egy (valamivel) lassabb, amely egy perc alatt bontakozik ki.

A csillagászok először találták meg a lassabb kitörések eredetét. Az 1990-es évek végén, amikor a kutatók jobban meghatározták a robbanás irányát, elkezdték észlelni a kozmikus robbanásokra utaló utófényeket. Aztán 2003-ban a közeli utófényt figyelő csillagászok látták a egy szupernóva ragyogó tűzijátéka néhány nappal egy hosszú gamma-kitörés után: A kitörés egy óriáscsillag halálának első szakaszát jelezte.

A gyorsabb kataklizma megértéséhez még egy évtizedre és élesebb eszközökre lenne szükség. Az áttörést jelentő műszer a NASA Swift műholdja. A 2004-ben piacra dobott Swift egy méter hosszú mintás ólomlemezt tartalmazott, amely az égbolt széles sávjáról képes csapdába ejteni a gamma-sugarakat. Lényeges, hogy rendelkezett azzal az egyedülálló képességgel is, hogy gyorsan elfordítson egy pár fedélzeti távcsövet bármilyen csillagászati ​​kitörés irányába. (A Swift-tudósok ismeretei szerint ezt a „mutass és lőj” technológiát részben egy másik hidegháborús védelmi projekthez fejlesztették ki: Ronald Reagan Stratégiai Védelmi Kezdeményezése – informálisan „Star Wars” néven –, amelynek célja nukleáris rakéták lelövése volt a repülés közben. )

A Swift segítségével a csillagászok most már két percen belül észrevehetik a kitörést – elég gyorsan ahhoz, hogy először elkapják a rövid gamma-kitörések utófényét. Miközben a kezdeti villanás elhalványulását figyelték, a csillagászok egy következő robbanás jeleit is látták, amely az idő múlásával egyre vörösebbé vált. Az asztrofizikusok hamarosan kiszámították, hogy ez a vörösség várható egy neutroncsillag egyesülése után (amely két neutroncsillag vagy egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összecsapása lehet). Egy ilyen ütközés kiszorítaná azokat a törmelékeket, amelyek elzárták a rövidebb, kékebb hullámhosszú fényt. A kilonováknak nevezett robbanások és az azokat megelőző rövid gamma-villanások párosítása erős közvetett bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a neutroncsillagok egyesülése volt a rövid katasztrófa.

Közvetlen bizonyíték 17. augusztus 2017-én érkezett. Két közeli neutroncsillag összeütközött és megrázta a téridő szövetét, gravitációs hullámokat keltve, amelyeket a Lézer Interferométer Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) képes észlelni. Az ezekben a hullámokban kódolt információk elolvasásával a tudósok később kiszámítják az ütköző objektumok tömegét, és megtudják, hogy neutroncsillagokról van szó. Közvetlenül a gravitációs hullámok megérkezése után a Fermi Gamma-űrtávcső két másodperces gammasugár-kitörést vett fel. A következő napokban pedig a csillagászok egy kilonova árulkodó vörösödését látták a gamma-kitörés helyén. A három egymás melletti megfigyelés kevés helyet hagyott a kétségnek: Rövid kitörések származhatnak a neutroncsillagok egyesüléséből.

– Ez mindent megerősített – mondta Brian Metzger, a Columbia Egyetem asztrofizikusa és az egyik teoretikus, aki először megjósolta, hogyan fog kinézni a kilonova az egyesülés után. „[Azt gondoltuk] „Rendben, ennek a képnek tényleg van értelme.”

Ez a kép most kezd összetörni.

Harmadik felvonásos csavar

Először Rasztinejadék jöttek 51 másodperces sorozat 2021 végén. Nagyon úgy nézett ki, mint egy hosszú, közeli kitörés 2006-ból, amelyről – rejtélyes módon – hiányzik a szupernóva. De a modern műszerekkel és annak mélyebb megértésével, hogy mit kell keresni, Rastinejad és munkatársai láthatták azt, amit a csillagászok 2006-ban nem: a 2021-es kitörést egy halványvörös kilonova követte.

Ez a megfigyelés ösztönözte Andrew Levan a Radboud Egyetemen, hogy újra megtekintsen egy titokzatos, 64 másodperces sorozatot, amely felett 2019 óta töprengett. A kitörés egy ősi galaxis szívében ment végbe, ahol a csillagok születése és halála (szupernóvák formájában) eonokkal ezelőtt megszűnt. Júniusban, Levan és munkatársai azzal érveltek hogy a hosszú kitörésük legvalószínűbb magyarázata az volt, hogy két csillaghullám – amelyek közül legalább az egyik valószínűleg neutroncsillag – egymásra talált és egyesült.

És most a James Webb Űrteleszkóp nyújtotta az eddigi legtisztább képet arról, hogy mi következik egy rendellenes kitörés után. Amikor a 35 másodperces robbanás március 7-én elérte a Földet, Swift gammasugárzást érzékelő ólomlemeze más irányba nézett. Az energetikai sugarakat főként Fermi észlelte, ami minden idők második legfényesebb gamma-kitörésének tartotta. rekorddöntő esemény A 2022).

Swift helyett a csillagászok bolygóközi űrhajóflottát (beleértve a Mars és a Merkúr szondáit) használták a kitörés helyének meghatározásához. A napokban, amikor a földön lévő teleszkópok ismét egy kilonova jellegzetes vörösödését látták, Levan gyorsan sürgősségi kérést adott ki az esemény szinte valós idejű JWST megfigyelésére. „Szerencsére igent mondtak” – mondta Levan. "Ez lehetővé tette számunkra, hogy körülbelül egy hónappal a kezdeti robbanás után megkapjuk ezeket a megfigyeléseket."

A JWST rengeteg adatot gyűjtött össze a hullámzó törmelékmezőről. Az optikai teleszkópok nem látnak mélyen a vastag kilonova-felhőbe, éppen azért, mert az esemény rabul ejti az asztrofizikusokat: óriási, fényt blokkoló atomokat lövell ki egy rejtélyes eseményláncon keresztül. r-folyamat.

A csillagok jellemzően a hidrogénatomokat héliummá olvasztják, majd később a könnyebb atomokat valamivel nehezebb atomokká olvasztják, mint például az oxigén és a szén. A rA folyamat az egyik egyetlen módja annak, hogy közvetlenül a legnehezebb természetben előforduló elemekhez ugorjunk. Ennek az az oka, hogy a neutroncsillagok ütközése sűrű neutronörvényt hoz létre. A káoszban a neutronok ismételten beférgek az atommagokba, és rendkívül instabil és radioaktív atomokat képeznek. Ahogy ezekben az atomokban a neutronok bomlanak, protonokká alakulnak át. Ha a végén 78 proton lesz, az egy platinaatom. Ha 79 protont kapsz, az arany.

A neutroncsillag által összekovácsolt terjedelmes atomok blokkolják a látható fényt, és többnyire infravörös fényben világítanak. Ez az oka annak, hogy a JWST – egy infravörös teleszkóp – olyan jól alkalmas a kilonova-felhőbe való betekintésre. "Még soha nem figyeltünk meg kilonovát a JWST-vel" - mondta Metzger. – Ez a tökéletes hangszer.

A törmelékben a JWST tellúratomokat (52 proton) észlelt, ami megerősíti, hogy a neutroncsillagok egyesülései a meglehetősen nehéz elemeket a periódusos rendszer ötödik sorának vége felé kovácsolhatják. "Ez egy sokkal nehezebb elem, mint amilyeneket korábban láttunk" - mondta Levan.

Ugyanakkor a JWST megfigyelése hozzájárul ahhoz az egyre növekvő felismeréshez, hogy bármennyire is valószínűtlennek tűnt egykor, a neutroncsillagok egyesülései hosszú gamma-kitöréseket eredményezhetnek. A kérdés most az: hogyan?

Sűrű tárgyak, hosszú sorozatok

A szupernóvák hosszú gamma-kitöréseket lőnek ki, mivel a csillagrobbanások viszonylag lassúak és rendetlenek. Egy óriáscsillag halála azzal kezdődik, hogy középpontja fekete lyukba omlik. Ezt követően a külső csillaganyag jelentős része – talán több nap tömegét is összeadva – spirálisan bejut a fekete lyukba, és hatalmas részecskesugarakat bocsát ki, amelyek akár több percre is gamma-sugarakat bocsátanak ki az űrbe.

Ezzel szemben a neutroncsillag-egyesülések állítólag egy csapásra véget érnek. Egy neutroncsillag a nap tömegét egy sima, apró, alig néhány mérföld átmérőjű gömbbe tömöríti. Amikor a sűrű gömbök közül kettő összeütközik – vagy ha az egyik beleütközik egy fekete lyukba –, az anyag fekete lyukba omlik. A végső görcs alatt sokkal kevesebb maradék anyag kerül pályára, mint a csillagok összeomlása esetén. Miközben a fekete lyuk lekenik ezt a könnyű harapnivalót, amelynek súlya tízszer kisebb lehet, mint a napé, rövid időre tizedmásodpercekig tartó fúvókákat (és gamma-kitörést) indít el.

A Levan, Rastinejad és mások új megfigyelései ütköznek a neutroncsillagok összeolvadásának gyors és tiszta képével. „Nincs értelme 10 másodperces sorozatfelvételt készíteni egy olyan rendszerből, amely csak a másodperc töredékét éli” – mondta. Ore Gottlieb, a Flatiron Intézet számítástechnikai asztrofizikusa, aki nem vett részt a megfigyelésekben.

Az egyik lehetőség az, hogy valami nagyobb és zavarosabb, mint a neutroncsillagok küldik ki ezeket a tartós robbanásokat. Hosszabb időtartamuk természetesebben illeszkedne egy fehér törpe – egy nagyobb fajta csillaghullám, amelyet akkor hagynak hátra, ha egy kis csillag üzemanyaga kifogy – és egy fekete lyuk vagy neutroncsillag egyesülésével. Ez a forgatókönyv azt eredményezi, hogy több anyag vesz körül egy fekete lyukat. De nem világos, hogy a fehér törpék ütközései megfelelő típusú gamma-kitöréseket vagy akár kilonovákat eredményeznek-e. "Az egész jelenséget sokkal kevésbé tanulmányozták" - mondta Kasen, Berkeley. – Jelenleg is dolgozunk rajta.

Egy másik lehetőség, hogy a hosszú gamma-kitörések egyáltalán nem az újszülött fekete lyukak lakmározásából származnak. Ehelyett, ha összetörsz két apró neutroncsillagot, és a keletkező folt elég gyorsan forog, néhány percig ellenállhat annak, hogy fekete lyukká omoljon. A rövid életű objektum egy erősen mágnesezett neutroncsillag – egy „magnetár” –, amely hosszabb gamma-kitörést bocsátana ki, miközben forgása lelassul. Metzger segített pontosítani ezt a forgatókönyvet, de még ő is radikális elképzelésnek tartja. „Még mindig jogosan szkeptikus vagyok ezzel kapcsolatban” – mondta.

Metzger szerint a legkonzervatívabb lehetőség az, hogy a neutroncsillagok egyesülése sokkal zavarosabb, mint azt az asztrofizikusok gondolták. A nyár folyamán, részletes szimulációk egy Gottlieb által vezetett együttműködésből azt sugallta, hogy ez gyakran előfordulhat. Különösen, amikor egy könnyű neutroncsillag találkozik egy kellően nehéz forgó fekete lyukkal, a neutroncsillag spirálisan befelé fordul, és a fekete lyuk több száz pályán felaprítja, így egy nehezebb anyaglemez marad, amelyet a fekete lyuknak több tíz másodpercig kell elfogyasztani. . Közötti ütközések szimulálása közben neutroncsillagok és fekete lyukak, Gottlieb, Metzger és munkatársai azt találták, hogy a nehezebb lemezek, amelyek hosszabb gammasugár-kitöréseket hajtanak végre, meglehetősen gyakoriak.

Valójában egy ironikus fordulattal a szimulációik nem hozták létre olyan könnyen a gyakran megfigyelt rövid sorozatokat, mint a hosszú sorozatokat, ami kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogy pontosan mi vezérli a rövid sorozatokat.

„Nem [teljesen] értjük ezeket a dolgokat” – mondta Gottlieb. – Azt hiszem, ez most a legnagyobb probléma.

Hiánypótlás

Ahhoz, hogy kiderítsék, mi sül el valójában, amikor holt csillagok ütköznek, a csillagászoknak meg kell duplázniuk erőfeszítéseiket a gamma-kitörések részletes katalógusának összeállítása érdekében, mivel az általuk feltételezett, főként szupernóva által vezérelt robbanások összekeverednek. néhány ismeretlen számú neutroncsillag egyesüléssel. Ehhez kell vadászni a kilonovákra – az ütközések jelére – mind a hosszú, mind a rövid sorozatok után. Ha továbbra is különbséget tesz a hosszú és a rövid között, ez annak a jele lehet, hogy egynél több módja van a kilonova főzésének.

„Megtanuljuk, hogy bármikor, amikor viszonylag közel van egy esemény, el kell mennünk” – mondta Rastinejad.

A LIGO szintén kritikus szerepet fog játszani. Az obszervatórium offline állapotban volt a frissítések miatt a legutóbbi furcsa robbanások során, de jelenleg a negyedik futás közepén figyeli a távoli ütközéseket. Ha a LIGO képes felfogni a hosszú gamma-kitörésből származó gravitációs hullámokat, a tudósok tudni fogják, hogy neutroncsillagok vagy fekete lyukak voltak-e benne. Ez azt is lehetővé teszi számukra, hogy kizárják a fehér törpéket, amelyek nem teszik észlelhetővé a gravitációs hullámokat a LIGO segítségével. A jövőbeli obszervatóriumok részletes hullámzása még arra is utalhat, hogy a közvetlen termék magnetár vagy fekete lyuk volt-e.

"A [gravitációs hullámok] valóban az egyetlen végleges út ebben a kérdésben" - mondta Metzger.

A neutroncsillagok egyesülésének gravitációs dübörgésének érzékelésével, valamint a gamma-kitörések és kilonovák megfigyelésével az asztrofizikusok végül elérhetik hosszú távú céljukat, hogy teljes mértékben számba vegyék az univerzum minden anyagának eredetét – a hidrogéntől a platinán át a plutóniumig. Ehhez tudniuk kell, hogy milyen típusú egyesülések történnek, milyen gyakoriak az egyes típusok, mely elemeket és milyen mennyiségben állítják elő, és milyen szerepet játszanak más események, például a szupernóvák. Ez egy ijesztő vállalkozás, amely még csak most kezdődik.

„Még mindig az a fő cél, hogy kidolgozzuk azokat az asztrofizikai helyszíneket, ahol a periódusos rendszer minden egyes eleme kialakul” – mondta Levan. "Még mindig vannak üres helyek, ezért úgy gondoljuk, hogy ez kezd kitölteni néhány fontos űrt."

A szerkesztő megjegyzése: A Flatiron Intézetet a Simons Alapítvány finanszírozza, amely szintén finanszírozza ezt a szerkesztőileg független magazint. Sem a Flatiron Intézetnek, sem a Simons Alapítványnak nincs befolyása a tudósításunkra. További információ elérhető itt.