Extra lange ontploffingen dagen onze theorieën over kosmische rampen uit | Quanta-tijdschrift

Op 11 december 2021 botste een straal gammastraling – de meest energetische vorm van licht – op NASA's Swift-satelliet. Binnen 120 seconden was de satelliet in de richting van de ontploffing gedraaid en had hij de gloeiende sintels van een kosmische catastrofe opgemerkt. Tien minuten later gingen er waarschuwingen uit naar astronomen over de hele wereld.

Onder hen was Jillian Rastinejad, een afgestudeerde student aan de Northwestern University. Voor Rastinejad en haar medewerkers leek deze gammastraaluitbarsting vreemd genoeg op een ongebruikelijke uitbarsting uit 2006. Rastinejad belde het Gemini Observatorium op Hawaï en schakelde daar onderzoekers in om diep naar het stukje hemel te staren waar de uitbarsting vandaan kwam. Een paar dagen later, toen er wolken binnenstroomden, nam een ​​onderzoeker van het MMT Observatorium in Arizona het over, en deed haar best om de telescoop gericht te houden op de vervagende lichtvlek op een miljard lichtjaar afstand.

Dat was geen geringe prestatie, aangezien het weer daar ook omsloeg, zei Rastinejad. “Elke dag vond ze rond vier uur ‘s ochtends voor ons een gat in de wolken.”

Tegen de tijd dat de reeks waarnemingen ongeveer een week later was afgerond, hadden Rastinejad en haar collega's een redelijk goed idee van wat die gammastraling door het universum had afgevuurd. Terwijl ze toekeken, was de nasleep van de explosie roder en roder geworden – een onmiskenbaar teken dat in het puin zware atomen zoals goud en platina werden gesmeed. De belangrijkste bron van dergelijke kosmische alchemie zijn botsingen waarbij neutronensterren betrokken zijn, de onvoorstelbaar dichte kernen van dode zonnen.

Het enige probleem was dat een dergelijke conclusie onmogelijk leek. Wanneer neutronensterren samensmelten, vermoeden astrofysici, is het allemaal in een fractie van een seconde voorbij. Maar Swift had een gammastralingsbombardement opgenomen dat relatief eindeloos 51 seconden duurde – normaal gesproken de signatuur van een heel ander soort kosmisch drama.

Sindsdien hebben astronomen meer van dit soort gebeurtenissen geïdentificeerd. De meest recente vond plaats in maart, toen de op een na helderste gammaflits ooit 35 seconden duurde. Opnieuw observeerden astronomen de rossige nasleep van een botsing met een neutronenster. Ze rekruteerden ook de James Webb-ruimtetelescoop om de bizarre uitbarsting te bestuderen en ik zag sporen van het zware element tellurium in het neerdalende stof.

Samen brengt de reeks waarnemingen een nieuw mysterie in een gebied van de astronomie dat de meeste onderzoekers als opgelost beschouwden: wat is de oorzaak dat deze zogenaamd snelle, gewelddadige gebeurtenissen zo lang gammastraling uitstralen? Het is een puzzel die astrofysici zullen moeten oplossen als ze het ambitieuzere doel willen bereiken: het begrijpen van de oorsprong van alle verschillende elementen in het universum, waarvan er vele voortkomen uit deze gewelddadige uitbarstingen.

"Ik ben erg opgewonden om dit te zien", zei hij Daniël Kasen, een astrofysicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley, gespecialiseerd in kosmische explosies. “Het is een echte puzzel geworden.”

Koude Oorlog, briljante explosies

Tegenwoordig vangt Swift elke paar dagen een gammaflits op. Maar de ontploffingen waren onbekend tot het hoogtepunt van de Koude Oorlog, toen ze uit het niets verschenen. In de jaren zestig lanceerde de Amerikaanse luchtmacht de Vela-satellieten om er zeker van te zijn dat de Sovjet-Unie zich aan een verbod op kernwapenproeven zou houden. Als de Sovjets een atoombom in de ruimte tot ontploffing zouden brengen, zou de resulterende flits van gammastraling – energetische lichtgolven zo kort als de kern van een atoom – onmogelijk te verbergen zijn.

De satellieten hebben geen Sovjet-schendingen gedetecteerd. Maar tussen 1969 en 1972 namen ze weer toe 16 mysterieuze flitsen van gammastraling waarvan onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory hebben vastgesteld dat deze van ‘kosmische oorsprong’ is.

In de daaropvolgende decennia nam NASA het onderzoek ter hand. De ruimtevaartorganisatie lanceerde een speciale burst-hunting-satelliet in 1991 en in de daaropvolgende negen jaar werden bijna 3,000 gammaflitsen gedetecteerd. De evenementen waren er in twee varianten: kort en lang. De meeste korte uitbarstingen duurden minder dan een seconde, terwijl veel lange uitbarstingen een minuut of langer duurden (de scheidslijn tussen de twee smaken ligt rond de twee seconden).

Wat deze uitbarstingen ook veroorzaakte, het leek catastrofaal; in minder dan de helft van de duur van een popsong stootten ze ongeveer evenveel energie uit als onze zon in miljarden jaren produceert. Wat zou zo helder kunnen schijnen? Astrofysici waren er aanvankelijk niet zeker van, maar de enorme energie die ermee gemoeid was, duidde op cataclysmen die de wereld zouden beëindigen. En de twee perioden duidden op twee soorten catastrofes: een snellere die ongeveer een seconde duurde en een (enigszins) langzamere die zich over een minuut afspeelde.

Astronomen hebben als eerste de oorsprong van de langzamere uitbarstingen gevonden. Eind jaren negentig, toen onderzoekers beter werden in het vaststellen van de richting waar een uitbarsting vandaan kwam, begonnen ze nagloeiingen op te vangen die op kosmische explosies duidden. Toen, in 1990, zagen astronomen die naar een nabijgelegen nagloed keken de schitterend vuurwerk van een supernova slechts enkele dagen na een lange gammastraaluitbarsting: de uitbarsting had de eerste fase in de dood van een gigantische ster aangegeven.

Het begrijpen van de snellere catastrofe zou nog eens tien jaar en scherpere instrumenten vergen. Het baanbrekende instrument bleek de Swift-satelliet van NASA te zijn. Swift, gelanceerd in 2004, had een meterslange loden plaat met een patroon die gammastraling uit een brede strook van de hemel kon opvangen. Cruciaal was dat het ook het unieke vermogen bezat om snel een paar telescopen aan boord in de richting van eventuele astronomische uitbarstingen te draaien. (Volgens de overlevering onder Swift-wetenschappers is deze point-and-shoot-technologie gedeeltelijk ontwikkeld voor een ander verdedigingsproject uit de Koude Oorlog: het Strategic Defense Initiative van Ronald Reagan – informeel bekend als ‘Star Wars’ – dat tot doel had kernraketten tijdens de vlucht neer te schieten. )

Met Swift konden astronomen nu binnen twee minuten een uitbarsting waarnemen – snel genoeg om voor het eerst de nagloeiingen van korte gammaflitsen op te vangen. Terwijl ze de eerste flits zagen vervagen, zagen astronomen ook tekenen van een daaropvolgende explosie, die in de loop van de tijd roder werd. Astrofysici berekenden al snel dat deze roodheid te verwachten was na een fusie waarbij een neutronenster betrokken was (wat een botsing tussen twee neutronensterren of tussen een neutronenster en een zwart gat zou kunnen zijn). Een dergelijke botsing zou puin uitstoten dat kortere, blauwere golflengten van licht blokkeerde. Het matchen van deze explosies, kilonova's genaamd, met de korte gammaflitsen die eraan voorafgingen, leverde krachtig indirect bewijs op dat de fusies van neutronensterren de korte catastrofe waren.

Direct bewijs kwam op 17 augustus 2017. Twee nabijgelegen neutronensterren kwamen met elkaar in botsing en schudden het weefsel van de ruimte-tijd, waardoor zwaartekrachtsgolven ontstonden die de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) kon detecteren. Door de in die rimpelingen gecodeerde informatie te lezen, konden wetenschappers later de massa van de botsende objecten berekenen en ontdekken dat het neutronensterren waren. Net nadat de zwaartekrachtsgolven arriveerden, registreerde de Fermi Gammastraalruimtetelescoop een twee seconden durende gammastraaluitbarsting. En in de daaropvolgende dagen zagen astronomen de veelbetekenende roodheid van een kilonova op dezelfde plek als de gammaflits. De drie opeenvolgende observaties liet weinig ruimte voor twijfel: korte uitbarstingen zouden het gevolg kunnen zijn van fusies van neutronensterren.

“Dat heeft alles bevestigd”, zei hij Brian Metzger, een astrofysicus aan de Columbia University en een van de theoretici die als eerste voorspelden hoe de kilonova er na een fusie uit zou zien. "[We dachten] 'Oké, deze foto is echt logisch.'"

Dat beeld begint nu te barsten.

Een twist in het derde bedrijf

Eerst kwam die van Rastinejad Burst van 51 seconden eind 2021. Het leek veel op een langdurige uitbarsting uit 2006, die, vreemd genoeg, geen supernova leek te bevatten. Maar met moderne instrumenten en een beter begrip van waar ze op moesten letten, konden Rastinejad en collega's zien wat astronomen in 2006 niet hadden gezien: de uitbarsting van 2021 werd gevolgd door een vage rode kilonova.

Die observatie spoorde aan Andreas Levan van de Radboud Universiteit om een ​​mysterieuze uitbarsting van 64 seconden opnieuw te bekijken waar hij sinds 2019 over piekerde. De uitbarsting was afgegaan in het hart van een oud sterrenstelsel waar de geboorte en sterfgevallen van sterren (in de vorm van supernova's) eeuwen geleden waren opgehouden. In juni, Levan en zijn medewerkers maakten ruzie dat de meest waarschijnlijke verklaring voor hun lange uitbarsting was dat twee stellaire lijken – waarvan er minstens één waarschijnlijk een neutronenster was – elkaar hadden gevonden en waren samengesmolten.

En nu heeft de James Webb-ruimtetelescoop het duidelijkste beeld tot nu toe gegeven van wat er na een abnormale uitbarsting komt. Toen de 35 seconden durende uitbarsting op 7 maart de aarde bereikte, was de gammastralingsdetecterende loden plaat van Swift in een andere richting gericht. De energetische stralen werden voornamelijk gedetecteerd door Fermi, die het vastlegde als de op een na helderste gammastraaluitbarsting aller tijden (na een recordbrekende gebeurtenis in 2022).

In plaats van Swift gebruikten astronomen een interplanetaire vloot van ruimtevaartuigen (inclusief sondes op Mars en Mercurius) om de positie van de uitbarsting te bepalen. In de dagen daarna, toen telescopen op de grond opnieuw de kenmerkende roodheid van een kilonova zagen, vuurde Levan snel een noodverzoek af voor een bijna realtime JWST-observatie van de gebeurtenis. “Gelukkig voor ons zeiden ze ja”, zei Levan. “Daardoor konden we deze waarnemingen ongeveer een maand na de eerste uitbarsting doen.”

JWST verzamelde een overvloed aan gegevens uit het golvende puinveld. Optische telescopen kunnen niet diep in de dikke kilonovawolk kijken, precies om de reden dat de gebeurtenis astrofysici boeit: het spuugt gigantische, lichtblokkerende atomen uit door een geheimzinnige reeks gebeurtenissen die bekend staat als de r-proces.

Sterren fuseren doorgaans waterstofatomen tot helium en later lichtere atomen tot iets zwaardere atomen zoals zuurstof en koolstof. De r-proces is een van de weinige manieren om rechtstreeks naar de zwaarste natuurlijk voorkomende elementen te springen. Dat komt omdat een botsing van een neutronenster een dichte maalstroom van neutronen veroorzaakt. In de chaos banen neutronen zich herhaaldelijk een weg naar atoomkernen en vormen zo zeer onstabiele en radioactieve atomen. Terwijl neutronen in deze atomen vervallen, worden ze omgezet in protonen. Als je uiteindelijk 78 protonen hebt, is dat een platina-atoom. Als je 79 protonen krijgt, is dat goud.

De omvangrijke atomen die door het stof van een neutronenster zijn gevormd, blokkeren zichtbaar licht en schijnen vooral in infrarood licht. Dat is de reden waarom JWST – een infraroodtelescoop – zo goed geschikt was om in een kilonovawolk te turen. “We hebben nog nooit eerder een kilonova met JWST waargenomen,” zei Metzger. “Het is het perfecte instrument.”

In het puin ontdekte JWST telluriumatomen (52 protonen), wat bevestigt dat neutronensterfusies de tamelijk zware elementen tegen het einde van de vijfde rij van het periodiek systeem kunnen smeden. “Het is een veel zwaarder element dan de elementen die we eerder hebben gezien,” zei Levan.

Maar tegelijkertijd draagt ​​de JWST-waarneming bij aan het groeiende besef dat, hoe onwaarschijnlijk het ooit ook leek, fusies waarbij neutronensterren betrokken zijn, lange gammaflitsen kunnen veroorzaken. De vraag is nu: hoe?

Dichte objecten, lange uitbarstingen

Supernova's schieten lange gammaflitsen uit omdat stellaire explosies relatief langzaam en rommelig zijn. De dood van een gigantische ster begint met het instorten van het centrum in een zwart gat. Daarna beweegt een aanzienlijke hoeveelheid van het externe sterrenmateriaal – misschien wel de massa van verschillende zonnen – spiraalvormig het zwarte gat in, waarbij krachtige jets van deeltjes worden gelanceerd die gammastraling gedurende enkele minuten in de leegte afvuren.

Het samensmelten van neutronensterren zou daarentegen in een mum van tijd voorbij moeten zijn. Een neutronenster bundelt de massa van ongeveer een zon in een gladde, kleine bol van slechts enkele kilometers in doorsnee. Wanneer twee van die dichte bollen met elkaar botsen – of wanneer er één in een zwart gat botst – stort de materie ineen in een zwart gat. Tijdens die laatste spasmen wordt er veel minder overgebleven materie in een baan om de aarde geworpen dan bij het instorten van de sterren. Terwijl het zwarte gat deze lichte snack, die misschien tien keer minder weegt dan de zon, opslokt, drijft het korte tijd jets (en een gammastraaluitbarsting) aan die tienden van een seconde duren.

De nieuwe waarnemingen van Levan, Rastinejad en anderen botsen met dit snelle en duidelijke beeld van de fusie van neutronensterren. “Het heeft geen enkele zin om een ​​uitbarsting van 10 seconden te hebben van een systeem dat slechts een fractie van een seconde leeft,” zei Erts Gottlieb, een computationeel astrofysicus bij het Flatiron Institute die niet betrokken was bij de waarnemingen.

Eén mogelijkheid is dat iets groters en slordigers dan neutronensterren deze aanhoudende ontploffingen uitzendt. In het bijzonder zou hun langere duur natuurlijker passen bij een fusie tussen een witte dwerg – een groter soort stellair lijk dat achterblijft als een kleine ster geen brandstof meer heeft – en een zwart gat of neutronenster. Dat scenario resulteert in meer materie rondom een ​​zwart gat. Maar het is onduidelijk of botsingen waarbij witte dwergen betrokken zijn, de juiste soort gammaflitsen zouden veroorzaken, of zelfs kilonova's. “Het hele fenomeen is veel minder bestudeerd”, zegt Kasen uit Berkeley. “We zijn er nu mee bezig.”

Een andere optie is dat de lange gammaflitsen helemaal niet afkomstig zijn van zich tegoed doen aan pasgeboren zwarte gaten. Als je in plaats daarvan twee kleine neutronensterren tegen elkaar botst en de resulterende klodder snel genoeg ronddraait, kan het zijn dat hij een paar minuten lang niet in een zwart gat kan instorten. Het kortlevende object zou een sterk gemagnetiseerde neutronenster zijn – een ‘magnetar’ – die een langere gammastraaluitbarsting zou uitzenden naarmate zijn draaiing vertraagde. Metzger hielp dit scenario vorm te geven, maar zelfs hij beschouwt het als een radicaal idee. "Ik ben er nog steeds terecht sceptisch over", zei hij.

De meest conservatieve mogelijkheid, zei Metzger, is dat fusies waarbij neutronensterren betrokken zijn gewoon rommeliger zijn dan astrofysici dachten. Gedurende de zomer, gedetailleerde simulaties uit een samenwerking onder leiding van Gottlieb suggereerde dat dit vaak het geval zou kunnen zijn. In het bijzonder, wanneer een lichte neutronenster een voldoende zwaar ronddraaiend zwart gat tegenkomt, draait de neutronenster naar binnen en versnippert het zwarte gat hem over honderden banen, waardoor een zwaardere schijf van materiaal overblijft die het zwarte gat tientallen seconden nodig heeft om te consumeren. . Tijdens het simuleren van botsingen tussen neutronensterren en zwarte gatenGottlieb, Metzger en medewerkers ontdekten dat zwaardere schijven die langere gammaflitsen aansturen heel gebruikelijk waren.

Ironisch genoeg produceerden hun simulaties de vaak waargenomen korte uitbarstingen niet zo gemakkelijk als lange uitbarstingen, wat vragen opriep over wat precies de korte uitbarstingen aandrijft.

"We begrijpen deze dingen niet [volledig]", zei Gottlieb. “Ik denk dat dit nu waarschijnlijk het grootste probleem is.”

De hiaten opvullen

Om erachter te komen wat er werkelijk gebeurt als dode sterren met elkaar botsen, zullen astronomen hun inspanningen moeten verdubbelen om een ​​gedetailleerde catalogus van gammaflitsen op te stellen, aangezien wat zij aannamen als een reeks van voornamelijk door supernova’s veroorzaakte explosies nu door elkaar blijkt te zitten. met een onbekend aantal neutronensterfusies. Dat vereist een jacht op kilonova’s – het kenmerk van botsingen – na zowel lange als korte uitbarstingen. Als het onderscheid tussen lang en kort blijft bestaan, kan dit een teken zijn dat er meer dan één manier is om een ​​kilonova te bereiden.

"We leren dat wanneer er een evenement is dat relatief dichtbij is, we ervoor moeten gaan", zei Rastinejad.

LIGO zal ook een cruciale rol spelen. Het observatorium was offline voor upgrades tijdens deze recente excentrieke uitbarstingen, maar bevindt zich momenteel midden in de vierde run en luistert naar botsingen op afstand. Als LIGO zwaartekrachtsgolven kan opvangen die afkomstig zijn van een lange gammaflits, zullen wetenschappers weten of er neutronensterren of zwarte gaten bij betrokken waren. Hierdoor kunnen ze ook witte dwergen uitsluiten, die zwaartekrachtgolven niet detecteerbaar maken door LIGO. Gedetailleerde schommelingen in de golven bij toekomstige observatoria zouden zelfs aanwijzingen kunnen geven over de vraag of het directe product een magnetar of een zwart gat was.

“[Zwaartekrachtgolven] zullen echt de enige definitieve weg vooruit zijn op dit vraagstuk,” zei Metzger.

Door het zwaartekrachtgerommel van de samensmelting van neutronensterren waar te nemen en gammaflitsen en kilonova’s waar te nemen, zouden astrofysici uiteindelijk hun langetermijndoel kunnen bereiken: het volledig verklaren van de oorsprong van elke stof in het universum – van waterstof tot platina tot plutonium. Om dat te doen moeten ze weten welke soorten fusies plaatsvinden, hoe vaak elk type voorkomt, welke elementen elk type produceert en in welke hoeveelheden, en welke rol andere gebeurtenissen zoals supernova's spelen. Het is een enorme onderneming die nog maar net begint.

"Er is nog steeds een kerndoel van het uitwerken van de astrofysische locaties waar elk afzonderlijk element in het periodiek systeem wordt gevormd," zei Levan. “Er zijn nog steeds lege plekken, en dus denken we dat dit een aantal van die belangrijke lege plekken begint op te vullen.”

Noot van de redactie: Het Flatiron Institute wordt gefinancierd door de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift financiert. Noch het Flatiron Institute, noch de Simons Foundation hebben enige invloed op onze berichtgeving. Meer informatie beschikbaar hier.