Ekstra lange eksplosjoner utfordrer teoriene våre om kosmiske katastrofer | Quanta Magazine

11. desember 2021 slo en stråle av gammastråler – den mest energiske formen for lys – inn i NASAs Swift-satellitt. I løpet av 120 sekunder hadde satellitten svingt mot eksplosjonen og oppdaget de glødende glørne fra en kosmisk katastrofe. Ti minutter senere gikk varsler til astronomer over hele verden.

Blant dem var Jillian Rastinejad, en hovedfagsstudent ved Northwestern University. For Rastinejad og hennes samarbeidspartnere så dette gammastråleutbruddet merkelig ut som et uvanlig utbrudd fra 2006. Rastinejad ringte opp Gemini-observatoriet på Hawai'i og vervet forskere dit for å stirre dypt på himmelflekken der utbruddet kom fra. Noen dager senere, da skyene rullet inn, tok en forsker ved MMT-observatoriet i Arizona over, og gjorde sitt beste for å holde teleskopet trent på lysflekken en milliard lysår unna.

Det var ingen liten prestasjon gitt at været snudde der også, sa Rastinejad. "Hun fant et hull i skyene for oss rundt klokken 4 hver dag."

Da kjeden av observasjoner hadde avsluttet en uke eller så senere, hadde Rastinejad og hennes kolleger en ganske god ide om hva som hadde skutt disse gammastrålene over universet. Mens de så på, hadde utbruddets ettervirkning blitt rødere og rødere - et umiskjennelig tegn på at tunge atomer som gull og platina ble smidd i ruskene. Hovedkilden til slik kosmisk alkymi er kollisjoner som involverer nøytronstjerner, de ufattelig tette kjernene til døde soler.

Problemet var bare at en slik konklusjon virket umulig. Når nøytronstjerner smelter sammen, mistenker astrofysikere, er det hele over på en brøkdel av et sekund. Men Swift hadde spilt inn et gammastrålebombardement som varte i relativt uendelige 51 sekunder - vanligvis signaturen til en helt annen type kosmisk drama.

Siden den gang har astronomer identifisert flere hendelser som dette. Den siste skjedde i mars, da den nest sterkeste gammastrålen som noen gang er oppdaget, varte i 35 sekunder. Igjen observerte astronomer de røde kjølvannet av en kollisjon med nøytronstjerner. De rekrutterte også James Webb Space Telescope å studere det bisarre utbruddet og oppdaget tegn på det tunge grunnstoffet tellur i bunnstøvet.

Sammen bringer rekken av observasjoner et nytt mysterium til et område av astronomi som de fleste forskere hadde ansett som avgjort: Hva får disse antatt raske, voldelige hendelsene til å sprenge ut gammastråler så lenge? Det er et puslespill astrofysikere må løse hvis de ønsker å oppnå det mer ambisiøse målet om å forstå opprinnelsen til alle de forskjellige elementene i universet, hvorav mange er født fra disse voldelige utbruddene.

"Jeg har vært veldig spent på å se dette," sa Daniel Kasen, en astrofysiker ved University of California, Berkeley, som spesialiserer seg på kosmiske eksplosjoner. "Det har utgjort et skikkelig puslespill."

Kald krig, strålende eksplosjoner

I dag fanger Swift en gammastråle med noen få dagers mellomrom. Men eksplosjonene var ukjente frem til høyden av den kalde krigen, da de dukket opp fra ingensteds. På 1960-tallet lanserte US Air Force Vela-satellittene for å sikre at Sovjetunionen overholdt et forbud mot atomvåpentesting. Hvis sovjeterne detonerte en atombombe i verdensrommet, ville det resulterende glimtet av gammastråler - energiske bølger av lys så korte som kjernen til et atom - være umulig å skjule.

Satellittene oppdaget ingen sovjetiske brudd. Men mellom 1969 og 1972 tok de seg opp 16 mystiske glimt av gammastråler som forskere ved Los Alamos National Laboratory fastslo å være av «kosmisk opprinnelse».

I de følgende tiårene tok NASA opp etterforskningen. Romfartsorganisasjonen skjøt opp en dedikert burst-jakt satellitt i 1991, og i løpet av de neste ni årene, oppdaget den nesten 3,000 gammastråleutbrudd. Arrangementene kom i to varianter: korte og lange. De fleste korte utbruddene varte i mindre enn et sekund, mens mange lange utbrudd varte i ett minutt eller lenger (skillelinjen mellom de to smakene kommer på rundt to sekunder).

Uansett hva som forårsaket disse utbruddene virket katastrofalt; på mindre enn halvparten av varigheten av en poplåt, sendte de ut omtrent like mye energi som solen vår produserer over milliarder av år. Hva kan flamme så sterkt? Astrofysikere var i utgangspunktet ikke sikre, men de enorme energiene som var involvert pekte på verdensende katastrofer. Og de to varighetene antydet to typer katastrofer, en raskere som varer rundt et sekund og en (noe) langsommere som utspiller seg over ett minutt.

Astronomer fant først opprinnelsen til de langsommere utbruddene. På slutten av 1990-tallet, da forskere ble flinkere til å finne ut hvilken retning et utbrudd kom fra, begynte de å fange etterglød som antydet kosmiske eksplosjoner. Så, i 2003, så astronomer som så på et nærliggende etterglød strålende fyrverkeri av en supernova bare dager etter et langt gammastråleutbrudd: Utbruddet hadde signalisert det første stadiet i døden til en gigantisk stjerne.

Å forstå den raskere katastrofen ville ta ytterligere ti år og skarpere verktøy. Det banebrytende instrumentet viste seg å være NASAs Swift-satellitt. Swift ble lansert i 2004 og hadde en meterlang mønstret blyplate som kunne fange gammastråler fra et bredt strøk av himmelen. Avgjørende var det også den unike evnen til å raskt svinge et par ombord teleskoper i retning av eventuelle astronomiske utbrudd. (I henhold til kunnskap blant Swift-forskere ble denne pek-og-skyt-teknologien delvis utviklet for et annet forsvarsprosjekt i den kalde krigen: Ronald Reagans strategiske forsvarsinitiativ - uformelt kjent som "Star Wars" - som hadde som mål å skyte ned atomraketter underveis. )

Med Swift kunne astronomer nå få øynene opp for et utbrudd innen to minutter - raskt nok til å fange etterglødene fra korte gammastråleutbrudd for første gang. Mens de så den første blitsen blekne, så astronomer også tegn til en påfølgende eksplosjon, en som ble rødere over tid. Astrofysikere beregnet snart at denne rødheten var å forvente etter en fusjon som involverte en nøytronstjerne (som kan være et sammenbrudd mellom to nøytronstjerner eller mellom en nøytronstjerne og et svart hull). En slik kollisjon ville kaste ut rusk som blokkerte kortere, blåere bølgelengder av lys. Å matche disse eksplosjonene, kalt kilonovaer, med de korte gammastråleblinkene som gikk foran dem, ga sterke omstendigheter for at sammenslåinger av nøytronstjerner var den korte katastrofen.

Direkte bevis kom 17. august 2017. To nærliggende nøytronstjerner kolliderte og ristet rom-tidsstoffet, og produserte gravitasjonsbølger som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) kunne oppdage. Ved å lese informasjonen som er kodet i disse krusningene, ville forskerne senere beregne massene til de kolliderende objektene og finne ut at de var nøytronstjerner. Like etter at gravitasjonsbølgene kom, fanget Fermi Gamma-ray Space Telescope opp et to sekunder langt gammastråleutbrudd. Og i de påfølgende dagene så astronomer den tydelige rødmen til en kilonova på samme sted som gammastråleutbruddet. De tre rygg-til-rygg-observasjoner levnet lite rom for tvil: Korte utbrudd kan komme fra sammenslåinger av nøytronstjerner.

"Det sementerte alt," sa Brian Metzger, en astrofysiker ved Columbia University og en av teoretikere som først forutså hvordan kilonovaen etter en sammenslåing ville se ut. "[Vi tenkte]" OK, dette bildet gir virkelig mening.

Det bildet begynner nå å sprekke.

En tredje akts vri

Først kom Rastinejads 51 sekunders sprengning på slutten av 2021. Det så mye ut som et langt utbrudd i nærheten fra 2006 som, forvirrende nok, så ut til å mangle en supernova. Men med moderne instrumenter og en dypere forståelse av hva de skulle se etter, klarte Rastinejad og kollegene å se hva astronomer i 2006 ikke hadde: Utbruddet i 2021 ble fulgt av en svak rød kilonova.

Den observasjonen ansporet Andrew Levan ved Radboud-universitetet for å se på nytt et mystisk 64-sekunders utbrudd han hadde undret seg over siden 2019. Utbruddet hadde gått av i hjertet av en eldgammel galakse der stjernefødsler og -dødsfall (i form av supernovaer) hadde opphørt for evigheter siden. I juni, Levan og hans samarbeidspartnere kranglet at den mest sannsynlige forklaringen på deres lange utbrudd var at to stjernelik - hvorav minst ett sannsynligvis var en nøytronstjerne - hadde funnet hverandre og slått seg sammen.

Og nå har James Webb-romteleskopet gitt den klareste utsikten til nå av hva som kommer etter et unormalt utbrudd. Da det 35 sekunder lange utbruddet nådde jorden 7. mars, var Swifts gammastrålefølende blyplate vendt i en annen retning. De energiske strålene ble oppdaget hovedsakelig av Fermi, som anga den som tidenes nest klareste gammastråleutbrudd (følger en rekordsettende hendelse i 2022).

I stedet for Swift brukte astronomer en interplanetarisk flåte av romfartøy (inkludert sonder på Mars og Mercury) for å finne utbruddets posisjon. I dagene etterpå, da teleskoper på bakken igjen så den karakteristiske rødmen av en kilonova, avfyrte Levan raskt en nødforespørsel om en nesten sanntids JWST-observasjon av hendelsen. "Heldigvis for oss sa de ja," sa Levan. "Det gjorde at vi kunne få disse observasjonene omtrent en måned etter det første utbruddet."

JWST samlet en bonanza av data fra det bølgende ruskfeltet. Optiske teleskoper kan ikke se dypt inn i den tykke kilonova-skyen av nettopp grunnen til at hendelsen fengsler astrofysikere: Den spyr ut gigantiske, lysblokkerende atomer gjennom en mystisk kjede av hendelser kjent som r-prosess.

Stjerner smelter vanligvis hydrogenatomer sammen til helium og smelter senere lettere atomer sammen til noe tyngre atomer som oksygen og karbon. De r-prosess er en av de eneste måtene å hoppe rett til de tyngste naturlig forekommende elementene. Det er fordi en nøytronstjernekollisjon skaper en tett malstrøm av nøytroner. I kaoset ormer nøytroner seg gjentatte ganger inn i atomkjerner og danner svært ustabile og radioaktive atomer. Når nøytroner i disse atomene forfaller, omdannes de til protoner. Hvis du ender opp med 78 protoner, er det et atom av platina. Hvis du får 79 protoner, er det gull.

De klumpete atomene som er smidd av en nøytronstjerne som støv-opp blokkerer synlig lys og skinner for det meste i infrarødt lys. Det er derfor JWST – et infrarødt teleskop – var så godt egnet til å kikke inn i en kilonovasky. "Vi har aldri observert en kilonova med JWST før," sa Metzger. "Det er det perfekte instrumentet."

I ruskene oppdaget JWST telluratomer (52 protoner), som bekrefter at nøytronstjernesammenslåinger kan smi de ganske tunge grunnstoffene mot slutten av den femte raden i det periodiske systemet. "Det er et mye tyngre element enn de vi har sett før," sa Levan.

Men samtidig bidrar JWST-observasjonen til den økende erkjennelsen at, uavhengig av hvor usannsynlig det en gang virket, kan fusjoner som involverer nøytronstjerner produsere lange gammastråleutbrudd. Spørsmålet nå er: Hvordan?

Tette gjenstander, lange utbrudd

Supernovaer skyter ut lange gammastråler fordi stjerneeksplosjoner er relativt langsomme og rotete. En gigantisk stjernes død starter med at sentrum kollapser i et svart hull. Etter at det har skjedd, spiraler en betydelig mengde av de ytre stjernene - kanskje til sammen massen til flere soler - inn i det sorte hullet, og sender kraftige stråler av partikler som skyter gammastråler inn i tomrommet i opptil flere minutter.

Nøytronstjernesammenslåinger, derimot, skal være over på et blunk. En nøytronstjerne pakker massen til en sol eller så inn i en jevn, liten kule bare noen få kilometer på tvers. Når to av disse tette kulene kolliderer - eller når en slår inn i et sort hull - kollapser saken til et svart hull. I løpet av den siste spasmen blir langt mindre materierester kastet i bane enn i tilfelle av stjernekollaps. Mens det sorte hullet skjærer ned denne lette snacksen, som kan veie 10 ganger mindre enn solen, driver den kort tid jetfly (og et gammastråleutbrudd) som varer i tideler av et sekund.

De nye observasjonene fra Levan, Rastinejad og andre kolliderer med dette raske og rene bildet av nøytronstjernesammenslåinger. "Det gir ingen mening å ha en 10-sekunders serie fra et system som lever bare en brøkdel av et sekund," sa Ore Gottlieb, en beregningsastrofysiker ved Flatiron Institute som ikke var involvert i observasjonene.

En mulighet er at noe større og mer rotete enn nøytronstjerner sender ut disse varige eksplosjonene. Spesielt vil deres lengre varighet mer naturlig passe med en fusjon mellom en hvit dverg - en større type stjernelik som blir etterlatt når en liten stjerne går tom for drivstoff - og et svart hull eller nøytronstjerne. Det scenariet resulterer i mer materie rundt et svart hull. Men det er uklart om kollisjoner som involverer hvite dverger ville gi de riktige typene gammastråleutbrudd, eller til og med kilonovaer. "Hele fenomenet har blitt mye mindre studert," sa Kasen fra Berkeley. "Vi jobber med det akkurat nå."

Et annet alternativ er at de lange gamma-stråleutbruddene ikke kommer fra å feire nyfødte sorte hull i det hele tatt. I stedet, hvis du knuser sammen to bittesmå nøytronstjerner og den resulterende klatten spinner raskt nok, kan den motstå å kollapse i et svart hull i noen minutter. Det kortlivede objektet ville være en sterkt magnetisert nøytronstjerne - en "magnetar" - som ville sende ut en lengre gammastråle etter hvert som dens virvling avtok. Metzger hjalp til med å konkretisere dette scenariet, men selv han anser det som en radikal forestilling. "Jeg er fortsatt rettmessig skeptisk til det," sa han.

Den mest konservative muligheten, sa Metzger, er at fusjoner som involverer nøytronstjerner bare er mer rotete enn astrofysikere trodde. Over sommeren, detaljerte simuleringer fra et samarbeid ledet av Gottlieb antydet at dette ofte kan være tilfelle. Spesielt når en lett nøytronstjerne møter et tilstrekkelig tungt spinnende sort hull, spiraler nøytronstjernen inn og det sorte hullet river den i stykker over hundrevis av baner, og etterlater en tyngre skive med materiale som det sorte hullet trenger titalls sekunder å konsumere . Mens du simulerer kollisjoner mellom nøytronstjerner og sorte hull, Gottlieb, Metzger og medarbeidere fant ut at tyngre disker som driver lengre gammastråleutbrudd var ganske vanlig.

Faktisk, i en ironisk vri, produserte simuleringene deres ikke de ofte observerte korte utbruddene like lett som de gjorde lange utbruddene, og reiste spørsmål om hva som faktisk driver de korte utbruddene.

"Vi forstår ikke [fullstendig] disse tingene," sa Gottlieb. "Jeg tror nok dette er det største problemet nå."

Fylle ut hullene

For å finne ut hva som virkelig går ned når døde stjerner kolliderer, må astronomer fordoble innsatsen for å bygge en detaljert katalog over gammastråleutbrudd, siden det de antok å være en gruppe hovedsakelig supernova-drevne eksplosjoner nå ser ut til å være blandet sammen. med et ukjent antall nøytronstjernesammenslåinger. Det vil kreve jakt på kilonovaer - signaturen til kollisjoner - etter både lange og korte utbrudd. Hvis forskjellen mellom lang og kort vedvarer, kan det være et tegn på at det er mer enn én måte å tilberede en kilonova på.

"Vi lærer at hver gang det er en begivenhet som er relativt nærme, bør vi gå for det," sa Rastinejad.

LIGO vil også spille en kritisk rolle. Observatoriet var frakoblet for oppgraderinger under disse nylige merkelige utbruddene, men det er for øyeblikket midt i sin fjerde kjøring og lytter etter de fjerne kollisjonene. Hvis LIGO kan fange opp gravitasjonsbølger som kommer fra et langt gammastråleutbrudd, vil forskerne vite om nøytronstjerner eller sorte hull var involvert. Dette vil også tillate dem å utelukke hvite dverger, som ikke gjør gravitasjonsbølger detekterbare av LIGO. Detaljerte bevegelser i bølger ved fremtidige observatorier kan til og med gi hint om hvorvidt det umiddelbare produktet var en magnetar eller et svart hull.

"[Gravitasjonsbølger] vil virkelig være den eneste definitive veien videre på dette spørsmålet," sa Metzger.

Ved å fornemme gravitasjonsbullingene fra nøytronstjernesammenslåinger og observere gammastråleutbrudd og kilonovaer, kan astrofysikere til slutt oppnå sitt langsiktige mål om å gjøre rede for opprinnelsen til alle stoffer i universet - fra hydrogen til platina til plutonium. For å gjøre det, må de vite hvilke typer fusjoner som skjer, hvor hyppig hver type er, hvilke elementer hver type produserer og i hvilke mengder, og hvilken rolle andre hendelser som supernovaer spiller. Det er en skremmende oppgave som bare så vidt har begynt.

"Det er fortsatt et kjernemål med å utarbeide de astrofysiske stedene der hvert enkelt element i det periodiske systemet dannes," sa Levan. "Det er fortsatt tomrom, og så vi tror dette begynner å fylle ut flere av de viktige tomrommene."

Redaktørens merknad: Flatiron Institute er finansiert av Simons Foundation, som også finansierer dette redaksjonelt uavhengige magasinet. Verken Flatiron Institute eller Simons Foundation har noen innflytelse på vår dekning. Mer informasjon tilgjengelig her..