Explozii extra-lungi provoacă teoriile noastre despre cataclismele cosmice | Revista Quanta

Pe 11 decembrie 2021, un fascicul de raze gamma – cea mai energică formă de lumină – a lovit satelitul Swift al NASA. În 120 de secunde, satelitul s-a întors spre explozie și a observat jarul strălucitor al unei catastrofe cosmice. Zece minute mai târziu, astronomii din întreaga lume au transmis alerte.

Printre ei a fost Jillian Rastinejad, un student absolvent la Universitatea Northwestern. Pentru Rastinejad și colaboratorii săi, această explozie de raze gamma arăta ciudat de asemănătoare cu o explozie neobișnuită din 2006. Rastinejad a chemat Observatorul Gemeni din Hawai'i și a înrolat cercetătorii de acolo să se uite adânc la zona de cer de unde venise explozia. Câteva zile mai târziu, când norii s-au abătut, un cercetător de la Observatorul MMT din Arizona a preluat conducerea, făcând tot posibilul să mențină telescopul antrenat pe punctul de lumini care se estompează, aflat la un miliard de ani lumină distanță.

Nu a fost puțin lucru, având în vedere că și vremea se întorcea acolo, a spus Rastinejad. „Ea a găsit o gaură în nori pentru noi în jurul orei 4 dimineața în fiecare zi.”

Până când lanțul de observații s-a încheiat o săptămână mai târziu, Rastinejad și colegii ei aveau o idee destul de bună despre ce a declanșat acele raze gamma în univers. În timp ce urmăriseră, urmările izbucnirii devenise din ce în ce mai roșii – un semn inconfundabil că în resturile, atomi grei precum aurul și platina erau forjați. Principala sursă a unei astfel de alchimii cosmice sunt coliziunile care implică stele neutronice, nucleele inimaginabil de dense ale sorilor morți.

Singura problemă era că o astfel de concluzie părea imposibilă. Când stelele neutronice se contopesc, bănuiesc astrofizicienii, totul se termină într-o fracțiune de secundă. Dar Swift a înregistrat un bombardament cu raze gamma care a durat o perioadă relativ interminabilă de 51 de secunde – în mod normal semnătura unui tip foarte diferit de dramă cosmică.

De atunci, astronomii au identificat mai multe evenimente ca acesta. Cel mai recent a avut loc în martie, când a doua cea mai strălucitoare explozie de raze gamma detectată vreodată a durat 35 de secunde. Din nou, astronomii au observat consecințele roșii ale unei coliziuni de stele neutroni. Ei au recrutat și telescopul spațial James Webb pentru a studia izbucnirea bizară și semne pete ale elementului greu telur în praful care se depune.

Împreună, șirul de observații aduce un nou mister într-o zonă a astronomiei pe care cei mai mulți cercetători o consideraseră stabilită: ce face ca aceste evenimente presupuse rapide și violente să explodeze razele gamma atât de mult timp? Este un puzzle pe care astrofizicienii vor trebui să le rezolve dacă vor să atingă obiectivul mai ambițios de a înțelege originile tuturor elementelor diferite din univers, multe dintre ele născute din aceste izbucniri violente.

„Am fost foarte încântat să văd asta”, a spus Daniel Kasen, un astrofizician la Universitatea din California, Berkeley, care este specializat în explozii cosmice. „A fost un adevărat puzzle.”

Războiul Rece, explozii strălucitoare

Astăzi, Swift prinde o explozie de raze gamma la fiecare câteva zile. Dar exploziile au fost necunoscute până în apogeul Războiului Rece, când au apărut de nicăieri. În anii 1960, Forțele Aeriene ale SUA au lansat sateliții Vela pentru a se asigura că Uniunea Sovietică respectă interdicția de testare a armelor nucleare. Dacă sovieticii ar detona o bombă nucleară în spațiu, fulgerul rezultat de raze gamma - unde energetice de lumină scurte ca nucleul unui atom - ar fi imposibil de ascuns.

Sateliții nu au detectat încălcări sovietice. Dar între 1969 și 1972, au reluat 16 flash-uri misterioase de raze gamma pe care cercetătorii de la Laboratorul Național Los Alamos le-au determinat ca fiind de „origine cosmică”.

În următoarele decenii, NASA a preluat investigația. Agenția spațială a lansat a satelit dedicat vânătorii de rafale în 1991 și în următorii nouă ani, a detectat aproape 3,000 de explozii de raze gamma. Evenimentele au venit în două variante: scurte și lungi. Cele mai multe explozii scurte au durat mai puțin de o secundă, în timp ce multe explozii lungi au durat un minut sau mai mult (linia de demarcație dintre cele două arome vine la aproximativ două secunde).

Oricare ar fi cauzat aceste explozii părea catastrofal; în mai puțin de jumătate din durata unui cântec pop, au emis aproximativ la fel de multă energie cât produce soarele nostru de-a lungul miliardelor de ani. Ce ar putea arde atât de puternic? Inițial, astrofizicienii nu erau siguri, dar energiile uriașe implicate au indicat cataclisme care termină lumea. Iar cele două durate au sugerat două tipuri de catastrofe, una mai rapidă care durează în jur de o secundă și una (oarecum) mai lentă care se desfășoară pe parcursul unui minut.

Astronomii au găsit mai întâi originea exploziilor mai lente. La sfârșitul anilor 1990, când cercetătorii au reușit să identifice direcția din care venea o explozie, au început să surprindă străluciri care sugerau explozii cosmice. Apoi, în 2003, astronomii care urmăreau o strălucire din apropiere au văzut artificii strălucitoare ale unei supernove la doar câteva zile după o explozie lungă de raze gamma: explozia semnalase prima etapă a morții unei stele gigantice.

Înțelegerea cataclismului mai rapid ar dura încă un deceniu și instrumente mai ascuțite. Instrumentul inovator s-a dovedit a fi satelitul Swift al NASA. Lansat în 2004, Swift avea o placă de plumb lungă de un metru care putea capta razele gamma dintr-o zonă largă de cer. În mod esențial, avea și capacitatea unică de a roti rapid o pereche de telescoape de la bord în direcția oricăror izbucniri astronomice. (Conform cunoștințelor oamenilor de știință de la Swift, această tehnologie point-and-shoot a fost parțial dezvoltată pentru un alt proiect de apărare din Războiul Rece: Inițiativa de Apărare Strategică a lui Ronald Reagan – cunoscută informal sub numele de „Războiul Stelelor” – care urmărea să doboare rachete nucleare în timpul zborului. )

Cu Swift, astronomii puteau acum să vadă o explozie în două minute - suficient de repede pentru a surprinde pentru prima dată strălucirile exploziilor scurte de raze gamma. În timp ce urmăreau dispariția fulgerului inițial, astronomii au văzut și semne ale unei explozii care a urmat, una care a devenit mai roșie în timp. Astrofizicienii au calculat curând că această roșeață era de așteptat după o fuziune care implică o stea neutronică (care ar putea fi o ciocnire între două stele neutronice sau între o stea neutronică și o gaură neagră). O astfel de coliziune ar expulza resturile care blocau lungimi de undă mai scurte și mai albastre ale luminii. Potrivirea acelor explozii, numite kilonova, cu scurtele fulgere de raze gamma care le-au precedat a oferit dovezi circumstanțiale puternice că fuziunile stelelor neutrone au fost catastrofa scurtă.

Dovezi directe a venit pe 17 august 2017. Două stele neutronice din apropiere s-au ciocnit și au zguduit țesătura spațiu-timpului, producând unde gravitaționale pe care Observatorul cu undele gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO) le-a putut detecta. Citind informațiile codificate în aceste ondulații, oamenii de știință ar calcula mai târziu masele obiectelor care se ciocnesc și ar afla că acestea erau stele neutronice. Imediat după sosirea undelor gravitaționale, telescopul spațial cu raze gamma Fermi a captat o explozie de raze gamma de două secunde. Și în zilele următoare, astronomii au văzut înroșirea revelatoare a unei kilonova în același loc cu izbucnirea razelor gamma. The trei observații consecutive a lăsat puțin loc de îndoială: exploziile scurte ar putea veni din fuziunile stelelor de neutroni.

„Asta a cimentat totul”, a spus Brian Metzger, un astrofizician la Universitatea Columbia și unul dintre teoreticienii care au prezis pentru prima dată cum va arăta kilonova după o fuziune. „[Ne-am gândit] „OK, această imagine chiar are sens.””

Acea imagine începe acum să se spargă.

O întorsătură în actul al treilea

Mai întâi a venit a lui Rastinejad Explozie de 51 de secunde la sfârșitul anului 2021. Semăna foarte mult cu o explozie lungă din apropiere din 2006 care, în mod surprinzător, părea să nu aibă o supernovă. Dar cu instrumente moderne și cu o înțelegere mai profundă a ceea ce trebuie căutat, Rastinejad și colegii au putut să vadă ce nu au făcut astronomii din 2006: explozia din 2021 a fost urmată de o kilonova roșie slabă.

Această observație a stimulat Andrew Levan de la Universitatea Radboud pentru a revedea o explozie misterioasă de 64 de secunde pe care o încurcă din 2019. Explozia a avut loc în inima unei galaxii antice în care nașterile și moartea stelelor (sub formă de supernove) încetaseră cu eoni în urmă. În iunie, Levan și colaboratorii săi s-au certat că cea mai probabilă explicație pentru izbucnirea lor lungă a fost aceea că două cadavre stelare – dintre care cel puțin unul era probabil o stea neutronică – s-au găsit unul pe celălalt și s-au fuzionat.

Și acum, telescopul spațial James Webb a oferit cea mai clară imagine de până acum a ceea ce urmează după o explozie anormală. Când explozia de 35 de secunde a atins Pământul pe 7 martie, placa de plumb a lui Swift, care detectează raze gamma, era îndreptată într-o direcție diferită. Razele energetice au fost detectate în principal de Fermi, care a considerat-o drept a doua cea mai strălucitoare explozie de raze gamma din toate timpurile (după un eveniment de stabilire a recordurilor în 2022).

În locul lui Swift, astronomii au folosit o flotă interplanetară de nave spațiale (inclusiv sonde de pe Marte și Mercur) pentru a identifica poziția exploziei. În zilele următoare, când telescoapele de la sol au văzut din nou înroșirea semnăturii unei kilonova, Levan a lansat rapid o solicitare de urgență pentru o observare JWST aproape în timp real a evenimentului. „Din fericire pentru noi, ei au spus da”, a spus Levan. „Asta ne-a permis să obținem acele observații la aproximativ o lună după explozia inițială.”

JWST a colectat o mulțime de date din câmpul de moloz. Telescoapele optice nu pot vedea adânc în norul gros kilonova tocmai din motivul pentru care evenimentul îi captivează pe astrofizicieni: aruncă atomi giganți, blocanți de lumină printr-un lanț arcanic de evenimente cunoscut sub numele de r-proces.

De obicei, stelele fuzionează atomii de hidrogen în heliu și apoi mai târziu fuzionează atomi mai ușori în atomi oarecum mai grei, cum ar fi oxigenul și carbonul. The r-procesul este una dintre singurele moduri de a sari direct la cele mai grele elemente naturale. Asta pentru că o coliziune a unei stele neutronice creează un vâltoare dens de neutroni. În haos, neutronii se îndreaptă în mod repetat în nucleele atomice, formând atomi extrem de instabili și radioactivi. Pe măsură ce neutronii din acești atomi se descompun, ei se transmută în protoni. Dacă ajungi cu 78 de protoni, acesta este un atom de platină. Dacă obții 79 de protoni, este aur.

Atomii voluminosi formați de praful unei stele neutronice blochează lumina vizibilă și strălucesc mai ales în lumina infraroșie. Acesta este motivul pentru care JWST – un telescop în infraroșu – era atât de potrivit pentru a privi într-un nor kilonova. „Nu am observat niciodată o kilonova cu JWST înainte”, a spus Metzger. „Este instrumentul perfect.”

În resturi, JWST a observat atomi de telur (52 de protoni), ceea ce confirmă că fuziunile stelelor neutronice pot forma elemente destul de grele spre sfârșitul celui de-al cincilea rând al tabelului periodic. „Este un element mult mai greu decât cele pe care le-am văzut înainte”, a spus Levan.

Dar, în același timp, observația JWST se adaugă la conștientizarea din ce în ce mai mare că, indiferent de cât de puțin probabil părea cândva, fuziunile care implică stele neutronice pot produce explozii lungi de raze gamma. Întrebarea este acum: Cum?

Obiecte dense, explozii lungi

Supernovele produc explozii lungi de raze gamma, deoarece exploziile stelare sunt relativ lente și dezordonate. Moartea unei stele uriașe începe cu prăbușirea centrului său într-o gaură neagră. După ce se întâmplă acest lucru, o cantitate substanțială din stelele externe - poate adunându-se la masa mai multor sori - se îndreaptă în spirală în gaura neagră, lansând jeturi puternice de particule care lansează raze gamma în vid timp de până la câteva minute.

Fuziunile stelelor de neutroni, prin contrast, ar trebui să se încheie într-o clipită. O stea neutronică împachetează masa unui soare sau cam asa ceva într-o sferă netedă, minusculă, de doar câteva mile diametru. Când două dintre aceste sfere dense se ciocnesc - sau când unul lovește o gaură neagră - materia se prăbușește într-o gaură neagră. În timpul acestui spasm final, mult mai puțină materie rămasă este aruncată pe orbită decât în ​​cazul colapsului stelar. Pe măsură ce gaura neagră alungă această gustare ușoară, care ar putea cântări de 10 ori mai puțin decât soarele, ea alimentează pentru scurt timp jeturi (și o explozie de raze gamma) care durează zecimi de secundă.

Noile observații de la Levan, Rastinejad și alții se confruntă cu această imagine rapidă și curată a fuziunilor stelelor neutronice. „Nu are niciun sens să ai o explozie de 10 secunde dintr-un sistem care trăiește doar o fracțiune de secundă”, a spus Ore Gottlieb, un astrofizician computațional la Institutul Flatiron care nu a fost implicat în observații.

O posibilitate este ca ceva mai mare și mai dezordonat decât stelele cu neutroni să trimită aceste explozii de durată. În special, durata lor mai lungă s-ar potrivi mai natural cu o fuziune între o pitică albă - un tip mai mare de cadavru stelar lăsat în urmă atunci când o stea mică rămâne fără combustibil - și o gaură neagră sau o stea neutronică. Acest scenariu are ca rezultat mai multă materie în jurul unei găuri negre. Dar nu este clar dacă coliziunile care implică pitice albe ar produce tipurile potrivite de explozii de raze gamma sau chiar kilonova. „Întregul fenomen a fost mult mai puțin studiat”, a spus Kasen din Berkeley. „Lucrăm la asta chiar acum.”

O altă opțiune este ca exploziile lungi de raze gamma să nu provină deloc din sărbătoarea găurilor negre nou-născute. În schimb, dacă zdrobiți două stele neutronice mici și blobul rezultat se învârte suficient de repede, s-ar putea să reziste să se prăbușească într-o gaură neagră pentru câteva minute. Obiectul de scurtă durată ar fi o stea neutronică foarte magnetizată – un „magnetar” – care ar emite o explozie mai lungă de raze gamma pe măsură ce învârtirea sa încetinește. Metzger a ajutat la concretizarea acestui scenariu, dar chiar și el îl consideră o noțiune radicală. „Sunt încă un fel de sceptic de drept în privința asta”, a spus el.

Cea mai conservatoare posibilitate, a spus Metzger, este că fuziunile care implică stele neutronice sunt doar mai dezordonate decât credeau astrofizicienii. Peste vară, simulări detaliate dintr-o colaborare condusă de Gottlieb a sugerat că acesta ar putea fi adesea cazul. În special, atunci când o stea neutronă ușoară se întâlnește cu o gaură neagră care se învârte suficient de grea, steaua de neutroni se învârte în spirală și gaura neagră o sfărâmă pe sute de orbite, lăsând un disc mai greu de material pe care gaura neagră are nevoie de zeci de secunde pentru a-l consuma. . În timp ce se simulează coliziuni între stele neutronice și găuri negre, Gottlieb, Metzger și colaboratorii au descoperit că discuri mai grele care conduc explozii de raze gamma mai lungi erau destul de comune.

De fapt, într-o întorsătură ironică, simulările lor nu au produs exploziile scurte des observate la fel de ușor precum exploziile lungi, ridicând întrebări despre ce anume alimentează exploziile scurte.

„Nu înțelegem [pe deplin] aceste lucruri”, a spus Gottlieb. „Cred că aceasta este probabil cea mai mare problemă acum.”

Completarea golurilor

Pentru a-și da seama ce se întâmplă cu adevărat atunci când stelele moarte se ciocnesc, astronomii vor trebui să-și dubleze eforturile pentru a construi un catalog detaliat de explozii de raze gamma, deoarece ceea ce au presupus a fi un lot de explozii conduse în principal de supernove pare acum a fi confundat. cu un număr necunoscut de fuziuni de stele neutroni. Acest lucru va necesita vânătoare de kilonova - semnătura coliziunilor - atât după explozii lungi, cât și după cele scurte. Dacă distincția dintre lung și scurt persistă, ar putea fi un semn că există mai multe moduri de a găti o kilonova.

„Învățăm că oricând există un eveniment relativ aproape, ar trebui să mergem la el”, a spus Rastinejad.

LIGO va juca, de asemenea, un rol critic. Observatorul a fost offline pentru upgrade-uri în timpul acestor recente explozii ciudate, dar în prezent se află la mijlocul celei de-a patra rulări, ascultând coliziunile îndepărtate. Dacă LIGO poate capta unde gravitaționale provenite dintr-o explozie lungă de raze gamma, oamenii de știință vor ști dacă au fost implicate stele neutronice sau găuri negre. Acest lucru le va permite, de asemenea, să excludă piticele albe, care nu fac undele gravitaționale detectabile de LIGO. Mișcări detaliate în valuri la observatoarele viitoare ar putea chiar oferi indicii despre dacă produsul imediat a fost un magnetar sau o gaură neagră.

„[Undele gravitaționale] vor fi într-adevăr singura modalitate definitivă de a urma această întrebare”, a spus Metzger.

Prin sesizarea zgomoturilor gravitaționale ale fuziunilor stelelor neutronice și observând exploziile de raze gamma și kilonova, astrofizicienii și-ar putea îndeplini în cele din urmă obiectivul pe termen lung de a contabiliza pe deplin originea fiecărei substanțe din univers - de la hidrogen la platină la plutoniu. Pentru a face acest lucru, ei trebuie să știe ce tipuri de fuziuni au loc, cât de frecvent este fiecare tip, ce elemente produce fiecare tip și în ce cantități și ce rol joacă alte evenimente precum supernove. Este o întreprindere descurajantă care abia începe.

„Există încă un obiectiv de bază de a stabili locurile astrofizice în care se formează fiecare element din tabelul periodic”, a spus Levan. „Există încă spații libere, așa că credem că acest lucru începe să completeze câteva dintre aceste spații importante.”

Nota editorului: Institutul Flatiron este finanțat de Fundația Simons, care finanțează și această revistă independentă din punct de vedere editorial. Nici Institutul Flatiron, nici Fundația Simons nu au nicio influență asupra acoperirii noastre. Mai multe informații disponibile aici.