Izjemno dolgi udari izpodbijajo naše teorije o kozmičnih kataklizmah | Revija Quanta

11. decembra 2021 je žarek gama žarkov – najbolj energična oblika svetlobe – zadel Nasin satelit Swift. V 120 sekundah se je satelit obrnil proti eksploziji in zagledal žarečo žerjavico kozmične katastrofe. Deset minut pozneje so astronomi po vsem svetu prejeli opozorila.

Med njimi je bil tudi Jillian Rastinejad, podiplomski študent na univerzi Northwestern. Rastinejadovi in ​​njenim sodelavcem je bil ta izbruh sevanja gama nenavadno podoben nenavadnemu izbruhu iz leta 2006. Rastinejadova je poklicala observatorij Gemini na Havajih in tam zaposlila raziskovalce, da so globoko strmeli v košček neba, od koder je izbruh prišel. Nekaj ​​dni pozneje, ko so se zgrnili oblaki, je raziskovalec na observatoriju MMT v Arizoni prevzel delo in se po svojih najboljših močeh trudil, da bi teleskop usmeril na bledečo svetlobno točko, oddaljeno milijardo svetlobnih let.

Rastinejad je dejal, da to ni bil majhen podvig, glede na to, da se je vreme tudi tam obračalo. "Vsak dan okoli 4. ure zjutraj je za nas našla luknjo v oblakih."

Do takrat, ko se je veriga opazovanj zaključila kakšen teden kasneje, so Rastinejad in njeni kolegi imeli precej dobro predstavo o tem, kaj je sprožilo te žarke gama po vesolju. Medtem ko so opazovali, so posledice eksplozije postajale vedno bolj rdeče – nedvoumen znak, da so se v ruševinah kovali težki atomi, kot sta zlato in platina. Glavni vir takšne kozmične alkimije so trki, ki vključujejo nevtronske zvezde, nepredstavljivo gosta jedra mrtvih sonc.

Težava je bila le v tem, da se je tak sklep zdel nemogoč. Ko se nevtronske zvezde združijo, astrofiziki sumijo, da je vsega konec v delčku sekunde. Toda Swift je posnel bombardiranje z žarki gama, ki je trajalo sorazmerno neskončnih 51 sekund - običajno je znak zelo drugačne vrste kozmične drame.

Od takrat so astronomi identificirali več takšnih dogodkov. Zadnji se je zgodil marca, ko je drugi najsvetlejši izbruh sevanja gama, ki so ga kdaj zaznali, trajal 35 sekund. Astronomi so spet opazili rdeče posledice trka nevtronske zvezde. Zaposlili so tudi vesoljski teleskop James Webb preučiti bizaren izbruh in opazil znake težkega elementa telur v usedajočem se prahu.

Niz opazovanj skupaj prinese novo skrivnost na področje astronomije, ki ga je večina raziskovalcev štela za rešeno: Kaj povzroča, da ti domnevno hitri, nasilni dogodki tako dolgo oddajajo žarke gama? To je uganka, ki jo bodo morali astrofiziki rešiti, če bodo želeli doseči bolj ambiciozen cilj razumevanja izvora vseh različnih elementov v vesolju, od katerih so mnogi rojeni iz teh nasilnih izbruhov.

"Bil sem zelo navdušen, ko sem to videl," je rekel Daniel Kasen, astrofizik na kalifornijski univerzi Berkeley, ki je specializiran za kozmične eksplozije. "Predstavil je pravo uganko."

Hladna vojna, briljantne eksplozije

Danes Swift vsakih nekaj dni ujame izbruh sevanja gama. Toda eksplozije niso bile znane do vrhunca hladne vojne, ko so se pojavile od nikoder. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so ameriške zračne sile izstrelile satelite Vela, da bi se prepričale, ali Sovjetska zveza spoštuje prepoved poskusov jedrskega orožja. Če bi Sovjeti v vesolju detonirali jedrsko bombo, bi bilo nemogoče skriti posledični blisk gama žarkov - energičnih valov svetlobe, kratkih kot jedro atoma.

Sateliti niso zaznali nobenih sovjetskih kršitev. Toda med letoma 1969 in 1972 so se vendarle pobrali 16 skrivnostnih utrinkov žarkov gama, za katere so raziskovalci v Nacionalnem laboratoriju Los Alamos ugotovili, da so "kozmičnega izvora".

V naslednjih desetletjih se je NASA lotila preiskave. Vesoljska agencija je izstrelila a namenski satelit za iskanje izbruhov leta 1991, v naslednjih devetih letih pa je zaznal skoraj 3,000 izbruhov sevanja gama. Dogodki so bili v dveh različicah: kratki in dolgi. Večina kratkih izbruhov je trajala manj kot sekundo, medtem ko so številni dolgi izbruhi trajali minuto ali dlje (ločnica med obema okusoma je približno dve sekundi).

Karkoli je povzročalo te izbruhe, se je zdelo katastrofalno; v manj kot polovici trajanja pop pesmi so oddali približno toliko energije, kot jo naše sonce proizvede v milijardah let. Kaj bi lahko tako močno zagorelo? Astrofiziki sprva niso bili prepričani, vendar so vpletene ogromne energije kazale na kataklizme, ki bodo končale svet. In ti dve trajanji sta namigovali na dve vrsti katastrof, hitrejšo, ki je trajala približno sekundo, in (nekoliko) počasnejšo, ki se je odvijala več kot minuto.

Astronomi so prvi odkrili izvor počasnejših izbruhov. V poznih devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so raziskovalci postali boljši pri določanju smeri, iz katere je prišel izbruh, so začeli loviti naknadne sije, ki so nakazovali kozmične eksplozije. Nato so leta 1990 astronomi, ki so opazovali bližnji poznejši sij, opazili briljanten ognjemet supernove le nekaj dni po dolgem izbruhu žarkov gama: izbruh je nakazal prvo stopnjo smrti zvezde velikanke.

Razumevanje hitrejše kataklizme bi zahtevalo še eno desetletje in ostrejša orodja. Izkazalo se je, da je prelomni instrument Nasin satelit Swift. Swift, ki je bil predstavljen leta 2004, je vseboval meter dolgo vzorčasto svinčeno ploščo, ki je lahko lovila žarke gama s širokega pasu neba. Bistveno je, da je imel tudi edinstveno sposobnost hitrega obračanja para teleskopov na krovu v smeri kakršnih koli astronomskih izbruhov. (Po izročilu znanstvenikov Swifta je bila ta tehnologija usmeri in ustreli delno razvita za drug obrambni projekt iz časa hladne vojne: Strateško obrambno pobudo Ronalda Reagana — neuradno znano kot »Vojna zvezd« — katerega cilj je bil sestreliti jedrske rakete med letom. )

S Swiftom so lahko astronomi zdaj opazili izbruh v dveh minutah – dovolj hitro, da so prvič ujeli naknadne sijeve kratkih izbruhov sevanja gama. Medtem ko so opazovali, kako začetni blisk pojenja, so astronomi opazili tudi znake eksplozije, ki je sčasoma postajala vse bolj rdeča. Astrofiziki so kmalu izračunali, da je to rdečico pričakovati po združitvi nevtronske zvezde (ki bi lahko bila trk med dvema nevtronskima zvezdama ali med nevtronsko zvezdo in črno luknjo). Takšen trk bi izstrelil ostanke, ki so blokirali krajše, modrejše valovne dolžine svetlobe. Ujemanje teh eksplozij, imenovanih kilonove, s kratkimi bliski žarkov gama, ki so bili pred njimi, je zagotovilo močne posredne dokaze, da je bila združitev nevtronskih zvezd kratka katastrofa.

Neposredni dokazi prišel 17. avgusta 2017. Dve bližnji nevtronski zvezdi sta trčili in pretresli tkivo prostora-časa, pri čemer so nastali gravitacijski valovi, ki jih je laserski interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) lahko zaznal. Z branjem informacij, kodiranih v teh valovih, bi znanstveniki pozneje izračunali maso trkajočih se predmetov in izvedeli, da so bile nevtronske zvezde. Takoj po prihodu gravitacijskih valov je vesoljski teleskop gama Fermi posnel dve sekundi dolg izbruh žarkov gama. In v naslednjih dneh so astronomi opazili očitno pordelost kilonove na istem mestu kot izbruh žarkov gama. The tri zaporedna opazovanja pustil malo prostora za dvom: kratki izbruhi bi lahko nastali zaradi združitve nevtronskih zvezd.

"To je utrdilo vse," je rekel Brian Metzger, astrofizik na univerzi Columbia in eden od teoretikov, ki so prvi napovedali, kakšna bo kilonova po združitvi. "[Mislili smo] 'V redu, ta slika je res smiselna.'"

Ta slika se zdaj začenja lomiti.

Preobrat v tretjem dejanju

Najprej je prišla Rastinejadova 51-sekundni izbruh konec leta 2021. Bilo je zelo podobno dolgotrajnemu bližnjemu izbruhu iz leta 2006, za katerega se je čudno zdelo, da nima supernove. Toda s sodobnimi instrumenti in globljim razumevanjem, kaj iskati, so Rastinejad in njegovi sodelavci lahko videli, česar astronomi leta 2006 niso: izbruhu leta 2021 je sledila temna rdeča kilonova.

To opazovanje je spodbudilo Andrej Levan z Univerze Radboud, da bi ponovno pregledal skrivnostni 64-sekundni izbruh, o katerem je razmišljal od leta 2019. Izbruh je izbruhnil v osrčju starodavne galaksije, kjer so se zvezde rojevale in umirale (v obliki supernov) pred eoni. V juniju, Levan in njegovi sodelavci so trdili da je bila najverjetnejša razlaga za njihov dolg izbruh ta, da sta se dve zvezdni trupli – od katerih je bilo vsaj eno verjetno nevtronska zvezda – našli in združili.

In zdaj je vesoljski teleskop Jamesa Webba zagotovil najbolj jasen pogled doslej na to, kaj sledi nenavadnemu izbruhu. Ko je 35. marca 7-sekundni izbruh dosegel Zemljo, je bila Swiftova svinčena plošča za zaznavanje žarkov gama obrnjena v drugo smer. Energijske žarke je zaznal predvsem Fermi, ki ga je označil za drugi najsvetlejši izbruh sevanja gama vseh časov (po dogodek, ki postavlja rekorde V 2022).

Namesto Swifta so astronomi uporabili medplanetarno floto vesoljskih plovil (vključno s sondami na Marsu in Merkurju), da bi natančno določili položaj izbruha. V dneh zatem, ko so teleskopi na tleh spet videli značilno rdečico kilonove, je Levan hitro izstrelil nujno zahtevo za opazovanje dogodka z JWST v skoraj realnem času. "Na našo srečo so rekli da," je dejal Levan. "To nam je omogočilo, da smo te ugotovitve dobili približno mesec dni po začetnem izbruhu."

JWST je zbral bogastvo podatkov iz polja valovitih odpadkov. Optični teleskopi ne morejo videti globoko v debelem oblaku kilonove ravno zaradi razloga, zakaj dogodek očara astrofizike: izbruha velikanske atome, ki blokirajo svetlobo, skozi skrivnostno verigo dogodkov, znanih kot r-proces.

Zvezde običajno zlijejo vodikove atome v helij in nato kasneje zlijejo lažje atome v nekoliko težje atome, kot sta kisik in ogljik. The r-proces je eden od edinih načinov za skok naravnost do najtežjih naravno prisotnih elementov. To je zato, ker trk nevtronske zvezde ustvari gost vrtinec nevtronov. V kaosu se nevtroni vedno znova prebijajo v atomska jedra in tvorijo zelo nestabilne in radioaktivne atome. Ko nevtroni v teh atomih razpadejo, se spremenijo v protone. Če imaš na koncu 78 protonov, je to atom platine. Če dobiš 79 protonov, je to zlato.

Masivni atomi, ki jih je ustvaril prah nevtronske zvezde, blokirajo vidno svetlobo in svetijo predvsem v infrardeči svetlobi. Zato je bil JWST - infrardeči teleskop - tako primeren za vpogled v oblak kilonova. "Z JWST še nikoli nismo opazili kilonove," je dejal Metzger. "To je popoln instrument."

V odpadkih je JWST opazil atome telura (52 protonov), kar potrjuje, da lahko združitve nevtronskih zvezd oblikujejo precej težke elemente proti koncu pete vrstice periodnega sistema. "To je veliko težji element od tistih, ki smo jih videli prej," je dejal Levan.

Toda hkrati opazovanje JWST prispeva k naraščajočemu spoznanju, da lahko združitve, ki vključujejo nevtronske zvezde, povzročijo dolge izbruhe žarkov gama, ne glede na to, kako malo verjetno se je nekoč zdelo. Zdaj se postavlja vprašanje: Kako?

Gosti predmeti, dolgi rafali

Supernove oddajajo dolge izbruhe žarkov gama, ker so zvezdne eksplozije relativno počasne in neurejene. Smrt velikanske zvezde se začne s kolapsom njenega središča v črno luknjo. Potem ko se to zgodi, se znatna količina zunanjih zvezdnih snovi - morda sešteje k masi več sonc - spiralno zavrti v črno luknjo in izstreli močne curke delcev, ki sprožajo žarke gama v praznino do nekaj minut.

Nasprotno pa naj bi bilo združevanja nevtronskih zvezd konec v trenutku. Nevtronska zvezda zapakira maso sonca ali nekaj takega v gladko, drobno kroglo s premerom le nekaj milj. Ko dve od teh gostih krogel trčita - ali ko ena udari v črno luknjo - se snov sesede v črno luknjo. Med tem zadnjim krčem se v orbito vrže veliko manj ostankov snovi kot v primeru sesutja zvezd. Ko črna luknja pokrije ta lahek prigrizek, ki bi lahko tehtal 10-krat manj kot sonce, za kratek čas požene curke (in izbruh žarkov gama), ki trajajo desetinke sekunde.

Nova opažanja Levana, Rastinejada in drugih so v nasprotju s to hitro in čisto podobo združitve nevtronskih zvezd. "Nima smisla imeti 10-sekundni izbruh iz sistema, ki živi le delček sekunde," je dejal Ore Gottlieb, računalniški astrofizik na inštitutu Flatiron, ki ni sodeloval pri opazovanjih.

Ena od možnosti je, da nekaj, kar je večje in bolj grdo od nevtronskih zvezd, oddaja te trajne eksplozije. Zlasti bi njihovo daljše trajanje bolj naravno ustrezalo združitvi med belo pritlikavko - večjo vrsto zvezdnega trupla, ki ostane za seboj, ko majhni zvezdi zmanjka goriva - in črno luknjo ali nevtronsko zvezdo. Ta scenarij ima za posledico več snovi, ki obdaja črno luknjo. Vendar ni jasno, ali bi trki, ki vključujejo bele pritlikavke, povzročili prave vrste izbruhov žarkov gama ali celo kilonove. "Celoten pojav je bil veliko manj raziskan," je dejal Kasen iz Berkeleyja. "Trenutno delamo na tem."

Druga možnost je, da dolgi izbruhi sevanja gama sploh ne izvirajo iz novorojenih črnih lukenj. Namesto tega, če zdrobite skupaj dve majhni nevtronski zvezdi in se nastala kepa vrti dovolj hitro, se lahko nekaj minut upira sesedanju v črno luknjo. Kratkoživi objekt bi bila močno magnetizirana nevtronska zvezda - "magnetar" - ki bi oddajala daljši izbruh žarkov gama, ko bi se njegovo vrtenje upočasnilo. Metzger je pomagal razviti ta scenarij, vendar celo on meni, da je to radikalen koncept. "Še vedno sem nekako upravičeno skeptičen do tega," je dejal.

Najbolj konzervativna možnost, je dejal Metzger, je, da so združitve, ki vključujejo nevtronske zvezde, le bolj grde, kot so mislili astrofiziki. Čez poletje, podrobne simulacije iz sodelovanja, ki ga je vodil Gottlieb, je nakazal, da je to morda pogosto tako. Zlasti ko se lahka nevtronska zvezda sreča z dovolj težko vrtečo se črno luknjo, se nevtronska zvezda spiralno zavije in črna luknja jo razreže na stotine orbit, pri čemer ostane težji disk materiala, ki ga črna luknja porabi na desetine sekund. . Med simulacijo trkov med nevtronske zvezde in črne luknje, Gottlieb, Metzger in sodelavci so ugotovili, da so težji diski, ki poganjajo daljše izbruhe žarkov gama, precej pogosti.

Pravzaprav, ironično, njihove simulacije niso proizvedle pogosto opaženih kratkih izbruhov tako zlahka kot dolgih izbruhov, kar je sprožilo vprašanja o tem, kaj točno poganja kratke izbruhe.

"Ne [popolnoma] razumemo teh stvari," je dejal Gottlieb. "Mislim, da je to zdaj verjetno največji problem."

Zapolnjevanje vrzeli

Da bi ugotovili, kaj se v resnici zgodi ob trčenju mrtvih zvezd, bodo morali astronomi podvojiti svoja prizadevanja za izdelavo podrobnega kataloga izbruhov sevanja gama, saj se zdi, da je tisto, za kar so domnevali, da gre za skupino eksplozij, ki jih večinoma poganjajo supernove, pomešano. z neznanim številom združitev nevtronskih zvezd. To bo zahtevalo lov na kilonove - znak trkov - po dolgih in kratkih izbruhih. Če razlika med dolgimi in kratkimi ostaja, je to lahko znak, da obstaja več kot en način za kuhanje kilonove.

"Učimo se, da bi se morali kadar koli zgodi dogodek, ki je relativno blizu," je dejal Rastinejad.

LIGO bo imel tudi ključno vlogo. Med temi nedavnimi nenavadnimi izbruhi observatorij ni bil povezan zaradi nadgradenj, vendar je trenutno sredi svojega četrtega zagona in posluša oddaljene trke. Če lahko LIGO zajame gravitacijske valove, ki prihajajo iz dolgega izbruha žarkov gama, bodo znanstveniki vedeli, ali so bile vpletene nevtronske zvezde ali črne luknje. To jim bo tudi omogočilo, da izključijo bele pritlikavke, zaradi katerih LIGO ne zazna gravitacijskih valov. Podrobno premikanje v valovih na prihodnjih observatorijih lahko celo ponudi namige o tem, ali je bil neposredni izdelek magnetar ali črna luknja.

"[Gravitacijski valovi] bodo resnično edina dokončna pot naprej glede tega vprašanja," je dejal Metzger.

Z zaznavanjem gravitacijskega ropotanja združitev nevtronskih zvezd in opazovanjem izbruhov žarkov gama in kilonov bi lahko astrofiziki sčasoma dosegli svoj dolgoročni cilj, da v celoti pojasnijo izvor vsake snovi v vesolju - od vodika do platine in plutonija. Da bi to naredili, morajo vedeti, kakšne vrste združitev se zgodijo, kako pogoste so posamezne vrste, katere elemente vsaka vrsta proizvaja in v kakšnih količinah ter kakšno vlogo igrajo drugi dogodki, kot so supernove. To je zastrašujoč podvig, ki se šele začenja.

"Še vedno obstaja glavni cilj izdelave astrofizičnih mest, kjer se oblikuje vsak posamezen element v periodnem sistemu," je dejal Levan. "Še vedno obstajajo praznine, zato menimo, da to začenja zapolnjevati nekaj teh pomembnih praznin."

Opomba urednika: Inštitut Flatiron financira Fundacija Simons, ki financira tudi to uredniško neodvisno revijo. Niti inštitut Flatiron niti fundacija Simons nimata vpliva na naše poročanje. Na voljo več informacij tukaj.