Extra långa explosioner utmanar våra teorier om kosmiska katastrofer | Quanta Magazine

Den 11 december 2021 slog en stråle av gammastrålar — den mest energiska formen av ljus — in i NASA:s Swift-satellit. Inom 120 sekunder hade satelliten svängt mot explosionen och upptäckt de glödande glöden från en kosmisk katastrof. Tio minuter senare gick larm ut till astronomer runt om i världen.

Bland dem var Jillian Rastinejad, en doktorand vid Northwestern University. För Rastinejad och hennes medarbetare såg den här gammastrålningen konstigt ut som en ovanlig skur från 2006. Rastinejad ringde upp Gemini Observatory på Hawaii och tog dit forskare för att stirra djupt på himlen där explosionen kom ifrån. Några dagar senare, när molnen rullade in, tog en forskare vid MMT-observatoriet i Arizona över och gjorde sitt bästa för att hålla teleskopet tränat på ljusets blekande plats en miljard ljusår bort.

Det var ingen liten bedrift med tanke på att vädret vände även där, sa Rastinejad. "Hon hittade ett hål i molnen åt oss runt klockan fyra varje dag."

När kedjan av observationer hade avslutats någon vecka senare hade Rastinejad och hennes kollegor en ganska bra uppfattning om vad som hade avfyrat dessa gammastrålar över universum. När de hade sett på hade utbrottet blivit rödare och rödare - ett omisskännligt tecken på att tunga atomer som guld och platina smiddes i skräpet. Den huvudsakliga källan till sådan kosmisk alkemi är kollisioner med neutronstjärnor, de ofattbart täta kärnorna av döda solar.

Problemet var bara att en sådan slutsats verkade omöjlig. När neutronstjärnor smälter samman, misstänker astrofysiker, är allt över på en bråkdel av en sekund. Men Swift hade spelat in ett gammastrålningsbombardement som varade i relativt oändliga 51 sekunder - normalt signaturen för en helt annan typ av kosmiskt drama.

Sedan dess har astronomer identifierat fler händelser som denna. Den senaste inträffade i mars, då den näst ljusaste gammastrålningen som någonsin upptäckts varade i 35 sekunder. Återigen observerade astronomer de röda efterdyningarna av en kollision med neutronstjärnor. De rekryterade också rymdteleskopet James Webb att studera det bisarra utbrottet och fläckiga tecken på det tunga grundämnet tellur i det sedimenterande dammet.

Tillsammans ger raden av observationer ett nytt mysterium till ett område av astronomi som de flesta forskare hade ansett vara avgjort: Vad är det som gör att dessa förment snabba, våldsamma händelser spränger ut gammastrålar så länge? Det är ett pussel astrofysiker måste lösa om de vill uppnå det mer ambitiösa målet att förstå ursprunget till alla de olika elementen i universum, av vilka många är födda från dessa våldsamma utbrott.

"Jag har varit riktigt exalterad över att se det här," sa Daniel Kasen, en astrofysiker vid University of California, Berkeley som är specialiserad på kosmiska explosioner. "Det har ställt till ett riktigt pussel."

Kalla kriget, briljanta explosioner

Idag fångar Swift en gammastrålning med några dagars mellanrum. Men sprängningarna var okända fram till höjden av det kalla kriget, då de dök upp från ingenstans. På 1960-talet lanserade det amerikanska flygvapnet Vela-satelliterna för att se till att Sovjetunionen följde ett förbud mot kärnvapentest. Om sovjeterna detonerade en kärnvapenbomb i rymden, skulle den resulterande blixten av gammastrålar - energiska ljusvågor lika korta som en atoms kärna - vara omöjliga att dölja.

Satelliterna upptäckte inga sovjetiska kränkningar. Men mellan 1969 och 1972 tog de fart 16 mystiska blixtar av gammastrålar som forskare vid Los Alamos National Laboratory fastställde vara av "kosmiskt ursprung".

Under de följande decennierna tog NASA upp utredningen. Rymdorganisationen lanserade en dedikerad burst-jaktsatellit 1991, och under de följande nio åren, upptäckte den nästan 3,000 XNUMX gammastrålningskurar. Evenemangen kom i två varianter: korta och långa. De flesta korta skurar varade mindre än en sekund, medan många långa skurar pågick i en minut eller längre (skiljelinjen mellan de två smakerna kommer vid cirka två sekunder).

Vad som än orsakade dessa utbrott verkade katastrofalt; på mindre än halva varaktigheten av en poplåt släppte de ut ungefär lika mycket energi som vår sol producerar under miljarder år. Vad skulle kunna brinna så starkt? Astrofysiker var till en början inte säkra, men de enorma energierna inblandade pekade på katastrofer som slutade i världen. Och de två varaktigheterna antydde två typer av katastrofer, en snabbare som varar runt en sekund och en (något) långsammare som utspelar sig under en minut.

Astronomer hittade ursprunget till de långsammare utbrotten först. I slutet av 1990-talet, när forskare blev bättre på att peka ut varifrån en explosion kom, började de fånga efterglöd som antydde kosmiska explosioner. Sedan, 2003, såg astronomer som tittade på en närliggande efterglöd lysande fyrverkerier av en supernova bara dagar efter en lång gammastrålning: Explosionen hade signalerat det första steget i en jättestjärnas död.

Att förstå den snabbare katastrofen skulle ta ytterligare ett decennium och vassare verktyg. Det banbrytande instrumentet visade sig vara NASA:s Swift-satellit. Swift lanserades 2004 och hade en meterlång mönstrad blyplatta som kunde fånga gammastrålar från ett brett sträng av himlen. Avgörande var att den också hade den unika förmågan att snabbt svänga ett par ombord teleskop i riktning mot alla astronomiska utbrott. (Enligt kunskaper bland Swift-forskare utvecklades denna peka-och-skjut-teknik delvis för ett annat försvarsprojekt för kalla kriget: Ronald Reagans strategiska försvarsinitiativ - informellt känt som "Star Wars" - som syftade till att skjuta ner kärnvapenmissiler mitt under flygningen. )

Med Swift kunde astronomer nu få ögonen på en explosion inom två minuter – tillräckligt snabbt för att fånga efterglöden av korta gammastrålar för första gången. Medan de såg den första blixten blekna, såg astronomer också tecken på en efterföljande explosion, en som blev rödare med tiden. Astrofysiker beräknade snart att denna rodnad var att vänta efter en sammanslagning som involverade en neutronstjärna (vilket kan vara ett sammanbrott mellan två neutronstjärnor eller mellan en neutronstjärna och ett svart hål). En sådan kollision skulle driva ut skräp som blockerade kortare, blåare våglängder av ljus. Att matcha dessa explosioner, kallade kilonovas, med de korta gammastrålningsblixtar som föregick dem gav starka indicier för att sammanslagningar av neutronstjärnor var den korta katastrofen.

Direkt bevis kom den 17 augusti 2017. Två närliggande neutronstjärnor kolliderade och skakade rymdtidens väv och producerade gravitationsvågor som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) kunde upptäcka. Genom att läsa informationen kodad i dessa krusningar, skulle forskare senare beräkna massan av de kolliderande objekten och lära sig att de var neutronstjärnor. Strax efter att gravitationsvågorna anlänt, plockade Fermi Gamma-ray Space Telescope upp en två sekunder lång gammastrålning. Och under de följande dagarna såg astronomer den tydliga rodnaden av en kilonova på samma plats som gammastrålningen. De tre rygg mot rygg observationer lämnade lite utrymme för tvivel: Korta skurar kan komma från sammanslagningar av neutronstjärnor.

"Det cementerade allt", sa Brian Metzger, en astrofysiker vid Columbia University och en av de teoretiker som först förutspådde hur kilonovan efter en sammanslagning skulle se ut. "[Vi tänkte] 'OK, den här bilden är verkligen vettig'."

Den bilden börjar nu spricka.

En vändning i tredje akten

Först kom Rastinejads 51 sekunders sprängning i slutet av 2021. Det såg mycket ut som en lång närliggande explosion från 2006 som, förbryllande nog, verkade sakna en supernova. Men med moderna instrument och en djupare förståelse för vad de skulle leta efter kunde Rastinejad och kollegor se vad astronomer 2006 inte hade: 2021 års explosion följdes av en svag röd kilonova.

Den observationen sporrade Andrew Levan vid Radboud University för att återbesöka en mystisk 64-sekunders explosion som han hade förbryllat sedan 2019. Explosionen hade gått i hjärtat av en gammal galax där stjärnfödslar och dödsfall (i form av supernovor) hade upphört för evigheter sedan. I juni, Levan och hans medarbetare argumenterade att den mest sannolika förklaringen till deras långa explosion var att två stjärnkroppar - varav åtminstone en troligen var en neutronstjärna - hade hittat varandra och smält samman.

Och nu har rymdteleskopet James Webb gett den klaraste bilden hittills av vad som kommer efter en onormal explosion. När den 35 sekunder långa explosionen nådde jorden den 7 mars var Swifts gammastrålningsavkännande blyplatta vänd åt en annan riktning. De energiska strålarna upptäcktes främst av Fermi, som angav den som den näst ljusaste gammastrålningen genom tiderna (följande en rekordhändelse i 2022).

I stället för Swift använde astronomer en interplanetarisk flotta av rymdfarkoster (inklusive sonder på Mars och Merkurius) för att lokalisera explosionens position. Dagarna efteråt, när teleskop på marken igen såg den karaktäristiska rodnaden av en kilonova, avfyrade Levan snabbt en nödbegäran om en nästan realtids JWST-observation av händelsen. "Tur oss sa de ja," sa Levan. "Det gjorde att vi kunde få dessa observationer ungefär en månad efter den första explosionen."

JWST samlade in en bonanza av data från det böljande skräpfältet. Optiska teleskop kan inte se djupt in i det tjocka kilonovamolnet av just anledningen till att händelsen fängslar astrofysiker: den spyr ut gigantiska, ljusblockerande atomer genom en mystisk kedja av händelser känd som r-bearbeta.

Stjärnor smälter vanligtvis väteatomer till helium och sedan smälter lättare atomer samman till något tyngre atomer som syre och kol. De r-processen är ett av de enda sätten att hoppa direkt till de tyngsta naturligt förekommande elementen. Det beror på att en kollision med neutronstjärnor skapar en tät malström av neutroner. I kaoset maskar neutroner sig upprepade gånger in i atomkärnor och bildar mycket instabila och radioaktiva atomer. När neutroner i dessa atomer sönderfaller omvandlas de till protoner. Om du slutar med 78 protoner, är det en atom av platina. Om du får 79 protoner är det guld.

De skrymmande atomerna smidda av en neutronstjärna som dammar upp blockerar synligt ljus och lyser mestadels i infrarött ljus. Det var därför JWST – ett infrarött teleskop – var så väl lämpat att titta in i ett kilonovamoln. "Vi har aldrig observerat en kilonova med JWST tidigare," sa Metzger. "Det är det perfekta instrumentet."

I skräpet såg JWST telluratomer (52 protoner), vilket bekräftar att sammanslagningar av neutronstjärnor kan skapa de ganska tunga grundämnena mot slutet av den femte raden i det periodiska systemet. "Det är ett mycket tyngre element än de vi har sett tidigare," sa Levan.

Men samtidigt bidrar JWST-observationen till den växande insikten att, oavsett hur osannolikt det en gång verkade, kan sammanslagningar som involverar neutronstjärnor producera långa gammastrålningsskurar. Frågan är nu: Hur?

Täta föremål, långa skurar

Supernovor skjuter ut långa gammastrålning eftersom stjärnexplosioner är relativt långsamma och röriga. En jättestjärnas död börjar med att dess centrum kollapsar i ett svart hål. Efter det har hänt, spiralerar en betydande mängd av de externa stjärnmaterialen - kanske till massan av flera solar - in i det svarta hålet och skjuter upp kraftfulla strålar av partiklar som avfyrar gammastrålar i tomrummet i upp till flera minuter.

Neutronstjärnans sammanslagningar, däremot, är tänkta att vara över i en blixt. En neutronstjärna packar massan av en sol eller så i en slät, liten sfär bara några miles tvärs över. När två av dessa täta klot kolliderar - eller när en slår in i ett svart hål - kollapsar saken till ett svart hål. Under den sista spasmen kastas mycket mindre överbliven materia i omloppsbana än i fallet med stjärnkollaps. När det svarta hålet sjalar ner detta lätta mellanmål, som kan väga 10 gånger mindre än solen, driver det en kort stund strålar (och en gammastrålning) som varar i tiondels sekund.

De nya observationerna från Levan, Rastinejad och andra krockar med denna snabba och rena bild av sammanslagningar av neutronstjärnor. "Det är ingen mening att ha en 10-sekunders skur från ett system som bara lever en bråkdel av en sekund," sa Malm Gottlieb, en beräkningsastrofysiker vid Flatiron Institute som inte var involverad i observationerna.

En möjlighet är att något större och stökigare än neutronstjärnor sänder ut dessa bestående explosioner. I synnerhet skulle deras längre varaktighet mer naturligt passa med en sammanslagning mellan en vit dvärg - en större typ av stjärnlik som lämnas kvar när en liten stjärna får slut på bränsle - och ett svart hål eller neutronstjärna. Det scenariot resulterar i mer materia kring ett svart hål. Men det är oklart om kollisioner med vita dvärgar skulle producera rätt sorts gammastrålning, eller till och med kilonovas. "Hela fenomenet har studerats mycket mindre," sa Kasen från Berkeley. "Vi jobbar på det just nu."

Ett annat alternativ är att de långa gammastrålningsskurarna inte kommer från att festa nyfödda svarta hål alls. Om du istället slår ihop två små neutronstjärnor och den resulterande klumpen snurrar tillräckligt snabbt, kan den motstå att kollapsa i ett svart hål i några minuter. Det kortlivade föremålet skulle vara en starkt magnetiserad neutronstjärna - en "magnetar" - som skulle avge en längre gammastrålning när dess snurrande avtog. Metzger hjälpte till att konkretisera detta scenario, men även han anser att det är en radikal idé. "Jag är fortfarande rättvist skeptisk till det", sa han.

Den mest konservativa möjligheten, sa Metzger, är att sammanslagningar som involverar neutronstjärnor är bara stökigare än astrofysiker trodde. Under sommaren, detaljerade simuleringar från ett samarbete ledd av Gottlieb antydde att så ofta kan vara fallet. I synnerhet när en lätt neutronstjärna möter ett tillräckligt tungt snurrande svart hål, spiralerar neutronstjärnan in och det svarta hålet river sönder den över hundratals banor, vilket lämnar en tyngre skiva av material som det svarta hålet behöver tiotals sekunder för att konsumera . Medan man simulerar kollisioner mellan neutronstjärnor och svarta hål, Gottlieb, Metzger och medarbetare fann att tyngre skivor som driver längre gammastrålar var ganska vanligt.

Faktum är att i en ironisk twist producerade deras simuleringar inte de ofta observerade korta skurarna lika lätt som de gjorde långa skurar, vilket väcker frågor om exakt vad som driver de korta skurarna.

"Vi förstår inte [helt] dessa saker," sa Gottlieb. "Jag tror att det här förmodligen är det största problemet nu."

Fyller i luckorna

För att ta reda på vad som verkligen går under när döda stjärnor kolliderar, kommer astronomer att behöva fördubbla sina ansträngningar för att bygga en detaljerad katalog över gammastrålningsskurar, eftersom vad de antog vara en grupp huvudsakligen supernovadrivna explosioner nu verkar vara blandade med ett okänt antal sammanslagningar av neutronstjärnor. Det kommer att kräva jakt på kilonovas - signaturen för kollisioner - efter både långa och korta skurar. Om skillnaden mellan lång och kort kvarstår kan det vara ett tecken på att det finns mer än ett sätt att tillaga en kilonova.

"Vi lär oss att när som helst det finns ett evenemang som är relativt nära, så borde vi satsa på det," sa Rastinejad.

LIGO kommer också att spela en avgörande roll. Observatoriet var offline för uppgraderingar under dessa senaste udda skurar, men det är för närvarande mitt i sin fjärde körning och lyssnar efter de avlägsna kollisioner. Om LIGO kan plocka upp gravitationsvågor som kommer från en lång gammastrålning, kommer forskarna att veta om neutronstjärnor eller svarta hål var inblandade. Detta kommer också att tillåta dem att utesluta vita dvärgar, som inte gör gravitationsvågor detekterbara av LIGO. Detaljerade vickningar i vågor vid framtida observatorier kan till och med ge tips om huruvida den omedelbara produkten var en magnetar eller ett svart hål.

"[Gravitationsvågor] kommer verkligen att vara den enda definitiva vägen framåt i denna fråga," sa Metzger.

Genom att känna av gravitationsmullret från sammanslagningar av neutronstjärnor och observera gammastrålningskurar och kilonovar, kan astrofysiker så småningom uppnå sitt långsiktiga mål att fullt ut redogöra för ursprunget till varje ämne i universum - från väte till platina till plutonium. För att göra det behöver de veta vilka typer av sammanslagningar som sker, hur ofta varje typ är, vilka element varje typ producerar och i vilka mängder, och vilken roll andra händelser som supernovor spelar. Det är ett skrämmande åtagande som bara har börjat.

"Det finns fortfarande ett kärnmål att utarbeta de astrofysiska platserna där varje enskilt element i det periodiska systemet bildas," sa Levan. "Det finns fortfarande tomrum, och så vi tror att det här börjar fylla i flera av de viktiga tomrummen."

Redaktörens anmärkning: Flatiron Institute finansieras av Simons Foundation, som också finansierar denna redaktionellt oberoende tidning. Varken Flatiron Institute eller Simons Foundation har något inflytande över vår bevakning. Mer information tillgänglig här..