Bardzo długie wybuchy podważają nasze teorie kosmicznych kataklizmów | Magazyn Quanta

11 grudnia 2021 r. wiązka promieni gamma – najbardziej energetycznej formy światła – uderzyła w należącego do NASA satelitę Swift. W ciągu 120 sekund satelita obrócił się w stronę wybuchu i zauważył żarzący się węgle kosmicznej katastrofy. Dziesięć minut później ogłoszono alarmy dla astronomów na całym świecie.

Wśród nich był Jillian Rastinejad, absolwent Northwestern University. Rastinejad i jej współpracownikom ten rozbłysk gamma wydawał się dziwnie podobny do niezwykłego rozbłysku z 2006 roku. Rastinejad zadzwoniła do Obserwatorium Gemini na Hawajach i zwerbowała tam badaczy, aby wnikliwie przyjrzeli się skrawkowi nieba, skąd pochodzi rozbłysk. Kilka dni później, gdy nadeszły chmury, zadanie przejęła badaczka z Obserwatorium MMT w Arizonie, dokładając wszelkich starań, aby teleskop był nakierowany na gasnącą plamkę światła oddaloną o miliard lat świetlnych.

„To nie lada wyczyn, biorąc pod uwagę, że tam pogoda również się zmieniała” – powiedział Rastinejad. „Każdego dnia około 4 rano znajdowała dla nas dziurę w chmurach”.

Mniej więcej tydzień później, gdy łańcuch obserwacji dobiegł końca, Rastinejad i jej współpracownicy mieli już całkiem dobre pojęcie o tym, co spowodowało wyemitowanie promieni gamma w całym wszechświecie. Na ich oczach następstwa wybuchu stawały się coraz bardziej czerwone — niewątpliwy znak, że w gruzach wykuwały się ciężkie atomy, takie jak złoto i platyna. Głównym źródłem takiej kosmicznej alchemii są zderzenia gwiazd neutronowych, niewyobrażalnie gęstych jąder martwych słońc.

Problem polegał tylko na tym, że taki wniosek wydawał się niemożliwy. Astrofizycy podejrzewają, że kiedy gwiazdy neutronowe łączą się, wszystko kończy się w ułamku sekundy. Jednak Swift zarejestrował bombardowanie promieniami gamma trwające stosunkowo nieskończone 51 sekund – zwykle jest to oznaka zupełnie innego rodzaju kosmicznego dramatu.

Od tego czasu astronomowie zidentyfikowali więcej takich zdarzeń. Ostatni miał miejsce w marcu, kiedy drugi co do jasności rozbłysk gamma, jaki kiedykolwiek wykryto, trwał 35 sekund. Po raz kolejny astronomowie zaobserwowali rumiane następstwa zderzenia gwiazd neutronowych. Zrekrutowali także Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba aby zbadać dziwny wybuch i dostrzegł oznaki ciężkiego pierwiastka, telluru, w osiadającym pyle.

Łącznie ciąg obserwacji wnosi nową tajemnicę do obszaru astronomii, który większość badaczy uważała za rozstrzygnięty: Co powoduje, że te rzekomo szybkie i gwałtowne zdarzenia tak długo emitują promienie gamma? To zagadka, którą astrofizycy będą musieli rozwiązać, jeśli chcą osiągnąć bardziej ambitny cel, jakim jest zrozumienie pochodzenia wszystkich różnych pierwiastków we wszechświecie, z których wiele rodzi się w wyniku tych gwałtownych wybuchów.

„Byłem naprawdę podekscytowany tym widokiem” – powiedział Daniel Kasen, astrofizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, specjalizujący się w kosmicznych eksplozjach. „To prawdziwa zagadka”.

Zimna wojna, genialne eksplozje

Dziś Swift łapie rozbłyski gamma co kilka dni. Ale wybuchy były nieznane aż do szczytu zimnej wojny, kiedy pojawiły się nie wiadomo skąd. W latach sześćdziesiątych Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych wystrzeliły satelity Vela, aby upewnić się, że Związek Radziecki przestrzega zakazu testowania broni nuklearnej. Gdyby Sowieci zdetonowali w kosmosie bombę atomową, powstałego błysku promieni gamma – energetycznych fal światła tak krótkich jak jądro atomu – nie dałoby się ukryć.

Satelity nie wykryły żadnych sowieckich naruszeń. Ale między 1969 a 1972 rokiem rzeczywiście wzrosły 16 tajemniczych błysków promieni gamma, które naukowcy z Los Alamos National Laboratory uznali za „pochodzenia kosmicznego”.

W następnych dziesięcioleciach śledztwem zajęła się NASA. Agencja kosmiczna wystrzeliła ok dedykowany satelita polujący na wybuchy w 1991 r. i w ciągu następnych dziewięciu lat wykrył prawie 3,000 rozbłysków gamma. Wydarzenia występowały w dwóch odmianach: krótkiej i długiej. Większość krótkich wybuchów trwała krócej niż sekundę, podczas gdy wiele długich wybuchów trwało minutę lub dłużej (linia podziału między dwoma smakami przypada na około dwie sekundy).

Cokolwiek było przyczyną tych wybuchów, wydawało się katastrofalne; w czasie krótszym niż połowa czasu trwania piosenki pop wyemitowały mniej więcej tyle energii, ile wytwarza nasze słońce przez miliardy lat. Co może świecić tak jasno? Astrofizycy początkowo nie byli pewni, ale ogromne energie związane z tym zjawiskiem wskazywały na kataklizmy kończące świat. Obydwa czasy trwania wskazywały na dwa rodzaje katastrof: szybszą, trwającą około sekundy i (nieco) wolniejszą, trwającą ponad minutę.

Astronomowie jako pierwsi odkryli pochodzenie wolniejszych wybuchów. Pod koniec lat 1990., kiedy badaczom udało się lepiej określić kierunek, z którego pochodzi rozbłysk, zaczęli dostrzegać poświaty, które wskazywały na kosmiczne eksplozje. Następnie w 2003 roku astronomowie obserwujący pobliską poświatę dostrzegli genialne fajerwerki supernowej zaledwie kilka dni po długim rozbłysku promieniowania gamma: rozbłysk zasygnalizował pierwszy etap śmierci olbrzymiej gwiazdy.

Zrozumienie szybszego kataklizmu wymagałoby kolejnej dekady i ostrzejszych narzędzi. Przełomowym instrumentem okazał się należący do NASA satelita Swift. Wystrzelony w 2004 roku Swift był wyposażony w wzorzystą ołowianą płytkę o długości jednego metra, która mogła wyłapywać promienie gamma z szerokiego połaci nieba. Co najważniejsze, posiadał także wyjątkową zdolność do szybkiego obracania pary pokładowych teleskopów w kierunku wszelkich rozbłysków astronomicznych. (Według wiedzy naukowców Swift ta technologia typu „wyceluj i strzelaj” została częściowo opracowana na potrzeby innego projektu obronnego z czasów zimnej wojny: Strategicznej Inicjatywy Obronnej Ronalda Reagana – nieformalnie znanej jako „Gwiezdne Wojny” – której celem było zestrzelenie rakiet nuklearnych w locie. )

Dzięki Swift astronomowie mogli teraz dostrzec rozbłysk w ciągu dwóch minut — wystarczająco szybko, aby po raz pierwszy uchwycić poświatę krótkich rozbłysków gamma. Obserwując zanikanie początkowego błysku, astronomowie dostrzegli także oznaki następującej po nim eksplozji, która z czasem stawała się coraz bardziej czerwona. Astrofizycy wkrótce obliczyli, że tego zaczerwienienia można było się spodziewać po fuzji obejmującej gwiazdę neutronową (którą mogło być zderzenie dwóch gwiazd neutronowych lub gwiazdy neutronowej z czarną dziurą). Taka kolizja wyrzuciłaby szczątki blokujące krótsze, bardziej niebieskie fale światła. Zestawienie tych eksplozji, zwanych kilonowymi, z krótkimi rozbłyskami promieniowania gamma, które je poprzedzały, dostarczyło mocnych poszlak na to, że połączenie gwiazd neutronowych było krótką katastrofą.

Bezpośredni dowód nadeszła 17 sierpnia 2017 r. Dwie pobliskie gwiazdy neutronowe zderzyły się i wstrząsnęły tkaniną czasoprzestrzeni, wytwarzając fale grawitacyjne, które mogło wykryć Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO). Czytając informacje zakodowane w tych zmarszczkach, naukowcy obliczyli później masy zderzających się obiektów i dowiedzieli się, że są to gwiazdy neutronowe. Zaraz po przybyciu fal grawitacyjnych Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermiego zarejestrował dwusekundowy rozbłysk promieniowania gamma. W ciągu następnych dni astronomowie zaobserwowali charakterystyczne zaczerwienienie kilonowej w tym samym miejscu, w którym rozbłysło promieniowanie gamma. The trzy obserwacje uzupełniające pozostawiło niewiele miejsca na wątpliwości: krótkie błyski mogą pochodzić z łączenia się gwiazd neutronowych.

„To wszystko scementowało” – powiedział Briana Metzgera, astrofizyk z Uniwersytetu Columbia i jeden z teoretyków, którzy jako pierwsi przewidzieli, jak będzie wyglądać kilonowa po fuzji. „[Pomyśleliśmy] «OK, to zdjęcie naprawdę ma sens»”.

Ten obraz zaczyna się teraz łamać.

Zwrot akcji w trzecim akcie

Najpierw przyszedł Rastinejad 51-sekundowa seria pod koniec 2021 r. Wyglądało to bardzo podobnie do długiego pobliskiego rozbłysku z 2006 roku, w którym, co zaskakujące, wydawało się, że nie ma w nim supernowej. Jednak dzięki nowoczesnym instrumentom i głębszemu zrozumieniu, czego szukać, Rastinejad i współpracownicy byli w stanie zobaczyć to, czego astronomowie w 2006 roku nie widzieli: po wybuchu w 2021 roku nastąpiła słabo czerwona kilonowa.

Ta obserwacja zainspirowała Andrzej Levan z Uniwersytetu Radboud, aby ponownie przyjrzeć się tajemniczemu 64-sekundowemu rozbłyskowi, nad którym zastanawiał się od 2019 r. Rozbłysk wybuchł w sercu starożytnej galaktyki, gdzie narodziny i śmierć gwiazd (w postaci supernowych) ustały eony temu. W czerwcu, Levan i jego współpracownicy kłócili się że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem ich długiego wybuchu jest to, że dwa ciała gwiezdne – z których przynajmniej jeden był prawdopodobnie gwiazdą neutronową – odnalazły się i połączyły.

A teraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczył najdokładniejszy jak dotąd obraz tego, co następuje po anomalnym rozbłysku. Kiedy 35-sekundowy rozbłysk dotarł do Ziemi 7 marca, ołowiana płyta wykrywająca promieniowanie gamma Swifta była zwrócona w innym kierunku. Promienie energetyczne zostały wykryte głównie przez Fermiego, który uznał go za drugi najjaśniejszy rozbłysk gamma w historii (po rekordowe wydarzenie w 2022).

Zamiast Swifta astronomowie wykorzystali międzyplanetarną flotę statków kosmicznych (w tym sondy na Marsie i Merkurym), aby określić położenie rozbłysku. W kilka dni później, gdy teleskopy naziemne ponownie dostrzegły charakterystyczne zaczerwienienie kilonowej, Levan szybko wysłał pilną prośbę o obserwację zdarzenia JWST w czasie niemal rzeczywistym. „Na szczęście dla nas powiedzieli „tak” – powiedział Levan. „To pozwoliło nam uzyskać te obserwacje około miesiąc po pierwszym wybuchu”.

JWST zebrał mnóstwo danych z kłębiącego się pola szczątków. Teleskopy optyczne nie są w stanie zajrzeć głęboko w gruby obłok kilonowej właśnie z tego powodu, dla którego to wydarzenie fascynuje astrofizyków: wyrzuca ono gigantyczne, blokujące światło atomy poprzez tajemniczy łańcuch zdarzeń znany jako r-proces.

Gwiazdy zazwyczaj łączą atomy wodoru w hel, a następnie łączą lżejsze atomy w nieco cięższe atomy, takie jak tlen i węgiel. The r-proces to jeden z niewielu sposobów, aby przejść bezpośrednio do najcięższych naturalnie występujących pierwiastków. Dzieje się tak, ponieważ zderzenie gwiazd neutronowych tworzy gęsty wir neutronów. W chaosie neutrony wielokrotnie przedostają się do rdzeni atomowych, tworząc wysoce niestabilne i radioaktywne atomy. Kiedy neutrony w tych atomach rozpadają się, przekształcają się w protony. Jeśli otrzymasz 78 protonów, będzie to atom platyny. Jeśli otrzymasz 79 protonów, to będzie złoto.

Masywne atomy wytworzone przez pył gwiazdy neutronowej blokują światło widzialne i świecą głównie w świetle podczerwonym. Właśnie dlatego JWST – teleskop na podczerwień – tak dobrze nadawał się do obserwacji chmury kilonowej. „Nigdy wcześniej nie obserwowaliśmy kilonowej za pomocą JWST” – powiedział Metzger. „To doskonały instrument”.

W gruzach JWST dostrzegł atomy telluru (52 protony), co potwierdza, że ​​fuzja gwiazd neutronowych może spowodować powstanie dość ciężkich pierwiastków pod koniec piątego rzędu układu okresowego. „To znacznie cięższy pierwiastek niż te, które widzieliśmy wcześniej” – powiedział Levan.

Ale jednocześnie obserwacje JWST potwierdzają rosnącą świadomość, że niezależnie od tego, jak nieprawdopodobne wydawało się to kiedyś, fuzje z udziałem gwiazd neutronowych mogą powodować długie rozbłyski promieniowania gamma. Pytanie teraz brzmi: jak?

Gęste obiekty, długie serie

Supernowe emitują długie rozbłyski promieniowania gamma, ponieważ eksplozje gwiazd są stosunkowo powolne i chaotyczne. Śmierć gigantycznej gwiazdy zaczyna się od zapadnięcia się jej środka w czarną dziurę. Następnie znaczna ilość materii z zewnętrznych gwiazd – być może równa masie kilku słońc – wpada spiralnie do czarnej dziury, wystrzeliwując potężne dżety cząstek, które wystrzeliwują w próżnię promienie gamma na okres do kilku minut.

Z kolei fuzje gwiazd neutronowych powinny zakończyć się w mgnieniu oka. Gwiazda neutronowa pakuje masę Słońca w gładką, maleńką kulę o średnicy zaledwie kilku mil. Kiedy dwie z tych gęstych kul zderzają się – lub gdy jedna uderza w czarną dziurę – materia zapada się w czarną dziurę. Podczas tego końcowego skurczu na orbitę zostaje wyrzuconych znacznie mniej resztek materii niż w przypadku zapadnięcia się gwiazdy. Kiedy czarna dziura pochłania tę lekką przekąskę, która może ważyć 10 razy mniej niż Słońce, na krótko zasila dżety (i rozbłysk gamma) trwający dziesiąte części sekundy.

Nowe obserwacje Levana, Rastinejada i innych kolidują z tym szybkim i wyraźnym obrazem łączenia się gwiazd neutronowych. „Nie ma sensu wytwarzać 10-sekundowej serii z systemu, który żyje tylko ułamkiem sekundy” – powiedział Ruda Gottlieba, astrofizyk obliczeniowy z Flatiron Institute, który nie był zaangażowany w obserwacje.

Jedną z możliwości jest to, że te trwałe wybuchy wysyła coś większego i bardziej brudnego niż gwiazdy neutronowe. W szczególności ich dłuższy czas trwania bardziej naturalnie pasowałby do połączenia białego karła – większego rodzaju gwiezdnego zwłok pozostawionego po wyczerpaniu się paliwa małej gwieździe – z czarną dziurą lub gwiazdą neutronową. W takim scenariuszu więcej materii otacza czarną dziurę. Nie jest jednak jasne, czy zderzenia z udziałem białych karłów wytworzyłyby odpowiedni rodzaj rozbłysków gamma, a nawet kilonowych. „Całe zjawisko zostało znacznie mniej zbadane” – powiedział Kasen z Berkeley. „W tej chwili nad tym pracujemy.”

Inną opcją jest to, że długie rozbłyski gamma wcale nie pochodzą z uczty nowonarodzonych czarnych dziur. Zamiast tego, jeśli zderzysz ze sobą dwie maleńkie gwiazdy neutronowe, a powstała plama będzie obracać się wystarczająco szybko, może przez kilka minut nie zapadać się w czarną dziurę. Obiektem krótkotrwałym byłaby silnie namagnesowana gwiazda neutronowa – „magnetar” – która emitowałaby dłuższy rozbłysk gamma w miarę zwalniania jej wirowania. Metzger pomógł urzeczywistnić ten scenariusz, ale nawet on uważa go za radykalny pomysł. „Nadal jestem wobec tego słuszny sceptyczny” – powiedział.

Najbardziej konserwatywna możliwość, stwierdził Metzger, jest taka, że ​​fuzje z udziałem gwiazd neutronowych są po prostu bardziej chaotyczne, niż sądzili astrofizycy. Latem, szczegółowe symulacje ze współpracy prowadzonej przez Gottlieba zasugerowały, że często może tak być. W szczególności, gdy lekka gwiazda neutronowa spotyka się z wystarczająco ciężką wirującą czarną dziurą, gwiazda neutronowa wkręca się spiralnie, a czarna dziura rozrywa ją na setkach orbit, pozostawiając cięższy dysk materiału, którego pochłonięcie czarna dziura potrzebuje dziesiątek sekund . Podczas symulowania kolizji pomiędzy gwiazdy neutronowe i czarne dziuryGottlieb, Metzger i współpracownicy odkryli, że cięższe dyski generujące dłuższe rozbłyski gamma są dość powszechne.

W rzeczywistości, jak na ironię, ich symulacje nie wytworzyły często obserwowanych krótkich serii tak łatwo, jak długie, co rodzi pytania o to, co dokładnie zasila krótkie impulsy.

„Nie [w pełni] rozumiemy te rzeczy” – powiedział Gottlieb. „Myślę, że to jest obecnie prawdopodobnie największy problem”.

Wypełnianie luk

Aby dowiedzieć się, co naprawdę dzieje się w przypadku zderzenia martwych gwiazd, astronomowie będą musieli podwoić wysiłki w celu stworzenia szczegółowego katalogu rozbłysków gamma, ponieważ to, co uważali za serię eksplozji wywołanych głównie supernowymi, teraz wydaje się być pomieszane z nieznaną liczbą połączeń gwiazd neutronowych. Będzie to wymagało polowania na kilonowe – charakterystyczne dla zderzeń – zarówno po długich, jak i krótkich błyskach. Jeśli rozróżnienie między długimi a krótkimi się utrzyma, może to oznaczać, że istnieje więcej niż jeden sposób na ugotowanie kilonowej.

„Uczymy się, że za każdym razem, gdy zbliża się jakieś wydarzenie, powinniśmy się na nie zdecydować” – powiedział Rastinejad.

LIGO również odegra kluczową rolę. Podczas tych ostatnich dziwnych wybuchów obserwatorium było wyłączone z powodu aktualizacji, ale obecnie jest w trakcie czwartego cyklu nasłuchiwania odległych zderzeń. Jeśli LIGO będzie w stanie wychwycić fale grawitacyjne pochodzące z długiego rozbłysku gamma, naukowcy będą wiedzieć, czy w grę wchodziły gwiazdy neutronowe, czy czarne dziury. Pozwoli im to również wykluczyć białe karły, które nie powodują, że fale grawitacyjne są wykrywalne przez LIGO. Szczegółowe ruchy fal w przyszłych obserwatoriach mogą nawet dostarczyć wskazówek, czy bezpośrednim produktem był magnetar, czy czarna dziura.

„[Fale grawitacyjne] będą naprawdę jedynym ostatecznym rozwiązaniem tej kwestii” – powiedział Metzger.

Wyczuwając dudnienie grawitacyjne łączenia się gwiazd neutronowych i obserwując rozbłyski gamma i kilonowe, astrofizycy mogą w końcu osiągnąć swój długoterminowy cel, jakim jest pełne wyjaśnienie pochodzenia każdej substancji we wszechświecie – od wodoru, przez platynę, po pluton. Aby tego dokonać, muszą wiedzieć, jakie rodzaje fuzji mają miejsce, jak często występują poszczególne typy, jakie pierwiastki wytwarza każdy typ i w jakich ilościach oraz jaką rolę odgrywają inne zdarzenia, takie jak supernowe. To zniechęcające przedsięwzięcie, które dopiero się zaczyna.

„Nadal głównym celem jest określenie miejsc astrofizycznych, w których powstaje każdy pierwiastek układu okresowego” – powiedział Levan. „Wciąż są puste miejsca, więc uważamy, że zaczyna to wypełniać kilka z tych ważnych luk”.

Nota wydawcy: Instytut Flatiron jest finansowany przez Fundację Simonsa, która finansuje także to niezależne redakcyjnie czasopismo. Ani Instytut Flatiron, ani Fundacja Simonsa nie mają żadnego wpływu na nasz zasięg. Więcej informacji dostępnych tutaj.