Наддовгі вибухи кидають виклик нашим теоріям космічних катаклізмів | Журнал Quanta

11 грудня 2021 року пучок гамма-променів — найенергетичнішої форми світла — врізався в супутник NASA Swift. Протягом 120 секунд супутник повернувся до вибуху та помітив сяючі вуглинки космічної катастрофи. Через десять хвилин астрономи по всьому світу отримали сповіщення.

Серед них був Джилліан Растінежад, аспірант Північно-Західного університету. Для Растінежада та її співробітників цей гамма-спалах виглядав дивно схожим на незвичайний спалах 2006 року. Растінежад викликав обсерваторію Джеміні на Гаваях і залучив туди дослідників, щоб вони глибоко подивилися на ділянку неба, звідки прийшов спалах. Через кілька днів, коли насунули хмари, дослідник з обсерваторії MMT в Арізоні взяв на себе роботу, роблячи все можливе, щоб телескоп навчився на згасаючу пляму світла за мільярд світлових років від нас.

За словами Растінежада, це було нелегким подвигом, враховуючи, що погода там також змінювалася. «Вона щодня знаходила для нас діру в хмарах близько 4 ранку».

Коли ланцюжок спостережень завершився через тиждень або близько того, Растінежад і її колеги мали досить хороше уявлення про те, що випустило ці гамма-промені по Всесвіту. Поки вони спостерігали, наслідки вибуху ставали все червонішими й червонішими — безпомилкова ознака того, що в уламках кувалися важкі атоми, такі як золото й платина. Основним джерелом такої космічної алхімії є зіткнення за участю нейтронних зірок, неймовірно щільних ядер мертвих сонць.

Єдина проблема полягала в тому, що такий висновок здавався неможливим. Астрофізики підозрюють, що коли нейтронні зірки зливаються, усе закінчується за частки секунди. Але Свіфт зафіксував бомбардування гамма-випромінюванням, яке тривало відносно нескінченну 51 секунду — як правило, ознака зовсім іншого типу космічної драми.

Відтоді астрономи визначили більше подібних подій. Останній стався в березні, коли другий за яскравістю спалах гамма-випромінювання, який коли-небудь було виявлено, тривав 35 секунд. Астрономи знову спостерігали рум’яні наслідки зіткнення нейтронної зірки. Вони також залучили космічний телескоп Джеймса Вебба вивчити химерний сплеск і виявив ознаки важкого елемента телуру в осідаючому пилу.

Разом низка спостережень приносить нову таємницю в область астрономії, яку більшість дослідників вважали вирішеною: що змушує ці нібито швидкі, бурхливі події так довго викидати гамма-промені? Це головоломка, яку доведеться вирішити астрофізикам, якщо вони хочуть досягти амбітнішої мети — зрозуміти походження всіх різних елементів у Всесвіті, багато з яких народжуються внаслідок цих бурхливих спалахів.

«Я був дуже радий побачити це», - сказав Деніел Касен, астрофізик з Каліфорнійського університету в Берклі, який спеціалізується на космічних вибухах. «Це склало справжню загадку».

Холодна війна, блискучі вибухи

Сьогодні Свіфт кожні кілька днів ловить гамма-спалах. Але вибухи були невідомі до розпалу холодної війни, коли вони з’явилися нізвідки. У 1960-х роках ВПС США запустили супутники Vela, щоб переконатися, що Радянський Союз дотримується заборони на випробування ядерної зброї. Якби радянська влада підірвала ядерну бомбу в космосі, спалах гамма-променів — енергійних хвиль світла, коротких із ядро ​​атома — було б неможливо приховати.

Жодних радянських порушень супутники не зафіксували. Але між 1969 і 1972 роками вони таки підібралися 16 таємничих спалахів гамма-променів, які дослідники з Національної лабораторії Лос-Аламоса визначили як «космічного походження».

У наступні десятиліття розслідуванням зайнялося НАСА. Космічне агентство запустило a виділений супутник пошуку вибухів у 1991 році, а протягом наступних дев’яти років він виявив майже 3,000 спалахів гамма-випромінювання. Події були двох видів: короткі та довгі. Більшість коротких спалахів тривали менше секунди, тоді як багато довгих спалахів тривали хвилину або довше (межа між двома смаками становить приблизно дві секунди).

Що б не спричиняло ці спалахи, здавалося катастрофічним; менш ніж за половину тривалості поп-пісні вони випромінювали приблизно стільки енергії, скільки наше сонце виробляє протягом мільярдів років. Що може спалахнути так яскраво? Спочатку астрофізики не були впевнені, але залучена величезна енергія вказувала на катаклізми, які призведуть до кінця світу. І дві тривалості вказували на два типи катастроф: швидша тривала приблизно секунду, а (дещо) повільніша розгорталася протягом хвилини.

Астрономи першими знайшли походження повільніших спалахів. Наприкінці 1990-х років, коли дослідники стали краще визначати напрямок вибуху, вони почали вловлювати післясвітіння, які вказували на космічні вибухи. Потім, у 2003 році, астрономи, спостерігаючи за сусіднім післясвітом, побачили блискучий феєрверк наднової лише кілька днів після тривалого гамма-спалаху: спалах сигналізував про першу стадію смерті гігантської зірки.

Розуміння швидшого катаклізму займе ще одне десятиліття та гостріші інструменти. Інструментом прориву виявився супутник NASA Swift. Запущений у 2004 році Swift мав метрову візерункову свинцеву пластину, яка могла вловлювати гамма-промені з широкої смуги неба. Важливо те, що він також мав унікальну здатність швидко повертати пару бортових телескопів у напрямку будь-яких астрономічних спалахів. (Згідно з традиціями вчених Swift, ця технологія «наведи і стріляй» була частково розроблена для іншого оборонного проекту часів холодної війни: Стратегічної оборонної ініціативи Рональда Рейгана — неофіційно відомої як «Зоряні війни» — яка мала на меті збивати ядерні ракети в польоті. )

Завдяки Swift астрономи тепер можуть побачити спалах протягом двох хвилин — достатньо швидко, щоб уперше вловити післясвіти коротких гамма-спалахів. Спостерігаючи за згасанням початкового спалаху, астрономи також побачили ознаки подальшого вибуху, який з часом ставав все червонішим. Невдовзі астрофізики підрахували, що це почервоніння слід було очікувати після злиття за участю нейтронної зірки (що могло бути зіткненням між двома нейтронними зірками або між нейтронною зіркою та чорною дірою). Таке зіткнення призвело б до викидання уламків, які блокували б коротші блакитні хвилі світла. Зіставлення цих вибухів, які називають кілоновими, з короткими гамма-спалахами, які їм передували, дало вагомі непрямі докази того, що злиття нейтронних зірок було короткою катастрофою.

Прямі докази відбулося 17 серпня 2017 року. Дві сусідні нейтронні зірки зіткнулися й похитнули тканину простору-часу, породивши гравітаційні хвилі, які Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) могла виявити. Прочитавши інформацію, закодовану в цих брижах, вчені згодом обчислять маси об’єктів, що стикаються, і дізнаються, що це нейтронні зірки. Відразу після приходу гравітаційних хвиль космічний гамма-телескоп Фермі зафіксував двосекундний гамма-сплеск. А в наступні дні астрономи побачили помітне почервоніння кілонової в тому самому місці, де стався гамма-спалах. The три послідовних спостереження залишає мало місця для сумнівів: короткі спалахи можуть бути результатом злиття нейтронних зірок.

«Це все закріпило», — сказав Браян Мецгер, астрофізик з Колумбійського університету та один із теоретиків, які першими передбачили, як виглядатиме Кілонова після злиття. «[Ми подумали] «Добре, це зображення дійсно має сенс».»

Зараз ця картина починає руйнуватися.

Поворот третьої дії

Першим був Растінежад 51-секундний сплеск наприкінці 2021 року. Це було дуже схоже на тривалий спалах поблизу 2006 року, який, на диво, не мав наднової. Але завдяки сучасним інструментам і глибшому розумінню того, на що слід звернути увагу, Растінежад і його колеги змогли побачити те, чого не було в астрономів 2006 року: за спалахом 2021 року послідувала тьмяна червона кілонова.

Це спостереження спонукало Андрій Леван Університету Радбуда, щоб переглянути таємничий 64-секундний спалах, над яким він ламав голову з 2019 року. Спалах стався в серці стародавньої галактики, де народження та смерть зірок (у формі наднових) припинилися багато років тому. В червні, Леван і його співробітники сперечалися що найбільш імовірним поясненням їх тривалого спалаху було те, що два зоряних трупи — принаймні один з яких, ймовірно, був нейтронною зіркою — знайшли один одного і злилися.

А тепер космічний телескоп Джеймса Вебба запропонував найчіткіше зображення того, що відбувається після аномального спалаху. Коли 35-секундний сплеск досяг Землі 7 березня, свинцева пластина Свіфта, яка вимірювала гамма-випромінювання, була спрямована в іншому напрямку. Енергетичні промені були виявлені в основному Фермі, який прив’язав його до другого за яскравістю гамма-спалаху всіх часів (після рекордна подія у 2022).

Замість Свіфта астрономи використовували міжпланетний флот космічних апаратів (включно з зондами на Марсі та Меркурії), щоб точно визначити місце вибуху. У наступні дні, коли телескопи на землі знову побачили характерне почервоніння кілонової, Леван швидко подав екстрений запит на спостереження JWST за подією майже в реальному часі. «На щастя для нас, вони сказали «так», — сказав Леван. «Це дозволило нам отримати ці спостереження приблизно через місяць після першого спалаху».

JWST зібрав величезну кількість даних із хвилястого поля уламків. Оптичні телескопи не можуть побачити глибоко в густу кілонову хмару саме з тієї причини, чому ця подія зачаровує астрофізиків: вона викидає гігантські, блокуючі світло атоми через таємничий ланцюжок подій, відомих як r-процес.

Зірки зазвичай зливають атоми водню в гелій, а потім зливають легші атоми в дещо важчі атоми, такі як кисень і вуглець. The r-процес є одним із небагатьох способів перейти безпосередньо до найважчих природних елементів. Це тому, що зіткнення нейтронних зірок створює щільний вир нейтронів. У хаосі нейтрони неодноразово проникають в атомні ядра, утворюючи дуже нестабільні та радіоактивні атоми. Коли нейтрони в цих атомах розпадаються, вони перетворюються на протони. Якщо ви отримуєте 78 протонів, це атом платини. Якщо ви отримаєте 79 протонів, це золото.

Громіздкі атоми, утворені пилом нейтронної зірки, блокують видиме світло та сяють переважно в інфрачервоному світлі. Ось чому JWST — інфрачервоний телескоп — так добре підходив для спостереження за кілоновою хмарою. «Ми ніколи раніше не спостерігали кілонову за допомогою JWST», — сказав Мецгер. «Це ідеальний інструмент».

В уламках JWST помітив атоми телуру (52 протони), що підтверджує, що злиття нейтронних зірок може сформувати досить важкі елементи до кінця п’ятого рядка періодичної таблиці. «Це набагато важчий елемент, ніж ті, які ми бачили раніше», — сказав Леван.

Але в той же час спостереження JWST додає до зростаючого усвідомлення того, що, незважаючи на те, наскільки малоймовірним це колись здавалося, злиття за участю нейтронних зірок може призвести до довгих спалахів гамма-випромінювання. Питання тепер: як?

Щільні об’єкти, довгі сплески

Наднові генерують довгі спалахи гамма-випромінювання, тому що вибухи зірок відносно повільні та безладні. Смерть гігантської зірки починається з колапсу її центру в чорну діру. Після цього значна кількість зовнішнього зоряного матеріалу — можливо, додаючи до маси кількох сонць — обертається в чорну діру, запускаючи потужні струмені частинок, які випромінюють гамма-промені в порожнечу протягом кількох хвилин.

Злиття нейтронних зірок, навпаки, має закінчитися миттєво. Нейтронна зірка збирає масу сонця або близько того в гладку крихітну сферу всього кілька миль у поперечнику. Коли дві з цих щільних куль стикаються — або коли одна потрапляє в чорну діру — речовина колапсує в чорну діру. Під час останнього спазму на орбіту викидається набагато менше залишків матерії, ніж у випадку колапсу зірок. Коли чорна діра знімає цю легку закуску, яка може важити в 10 разів менше, ніж сонце, вона короткочасно запускає струмені (і спалах гамма-променів), які тривають десяті частки секунди.

Нові спостереження Левана, Растінежада та інших суперечать цьому швидкому та чіткому образу злиття нейтронних зірок. «Немає жодного сенсу мати 10-секундний сплеск із системи, яка живе лише частки секунди», — сказав Оре Готліб, обчислювальний астрофізик з Інституту Флетайрона, який не брав участі у спостереженнях.

Одна з можливостей полягає в тому, що щось більше та брудніше, ніж нейтронні зірки, посилає ці тривалі вибухи. Зокрема, їх більша тривалість більш природно відповідатиме злиттю білого карлика — більшого виду зоряного трупа, який залишається позаду, коли маленька зірка закінчує паливо — і чорної діри або нейтронної зірки. Цей сценарій призводить до збільшення кількості матерії, що оточує чорну діру. Але незрозуміло, чи призведуть зіткнення за участю білих карликів до правильних спалахів гамма-випромінювання або навіть кілонових. «Це явище вивчено набагато менше», — сказав Кейс з Берклі. «Ми зараз над цим працюємо».

Інший варіант полягає в тому, що довгі спалахи гамма-випромінювання взагалі не походять від бенкетування новонароджених чорних дір. Натомість, якщо ви розіб’єте разом дві крихітні нейтронні зірки, і отримана крапля обертатиметься досить швидко, вона може протистояти колапсу в чорну діру протягом кількох хвилин. Короткоживучим об’єктом буде сильно намагнічена нейтронна зірка — «магнетар», — яка випромінюватиме довший гамма-спалах із уповільненням обертання. Мецгер допоміг конкретизувати цей сценарій, але навіть він вважає його радикальним. «Я все ще скептично ставлюся до цього», — сказав він.

Найконсервативніша можливість, сказав Мецгер, полягає в тому, що злиття за участю нейтронних зірок набагато складніше, ніж вважали астрофізики. За літо, детальне моделювання від співпраці під керівництвом Готліба припустив, що це може бути часто. Зокрема, коли легка нейтронна зірка зустрічається з достатньо важкою чорною дірою, яка обертається, нейтронна зірка обертається по спіралі, і чорна діра розрізає її на сотні орбіт, залишаючи важчий диск матеріалу, який чорній дірі потрібно десятки секунд, щоб споживати . Під час моделювання зіткнень між нейтронні зірки і чорні діри, Готтліб, Метцгер і їх співробітники виявили, що більш важчі диски, що викликають більш тривалі спалахи гамма-випромінювання, були досить поширеними.

Насправді, за іронією долі, їхні симуляції не створювали часто спостережувані короткі сплески так легко, як вони робили довгі сплески, викликаючи питання про те, що саме живить короткі сплески.

«Ми [повністю] не розуміємо ці речі», — сказав Готліб. «Я думаю, що зараз це, мабуть, найбільша проблема».

Заповнення пропусків

Щоб з’ясувати, що насправді відбувається під час зіткнення мертвих зірок, астрономам потрібно буде подвоїти свої зусилля, щоб створити детальний каталог спалахів гамма-випромінювання, оскільки те, що вони вважали групою вибухів, здебільшого викликаних надновими, тепер виявляється переплутаним. з деякою невідомою кількістю злиття нейтронних зірок. Це вимагатиме полювання на кілонові — характерні ознаки зіткнень — як після довгих, так і після коротких спалахів. Якщо різниця між довгим і коротким зберігається, це може означати, що є кілька способів приготувати кілонову.

«Ми дізнаємося, що будь-коли є подія, яка відносно близько, ми повинні це зробити», — сказав Растінежад.

LIGO також відіграватиме вирішальну роль. Під час цих недавніх дивних спалахів обсерваторія була в автономному режимі для модернізації, але зараз вона знаходиться в середині свого четвертого запуску, відстежуючи віддалені зіткнення. Якщо LIGO зможе вловити гравітаційні хвилі, що надходять від тривалого гамма-спалаху, вчені дізнаються, чи були задіяні нейтронні зірки чи чорні діри. Це також дозволить їм виключити білих карликів, які не роблять гравітаційні хвилі виявленими LIGO. Деталізовані хвилеподібні коливання в майбутніх обсерваторіях можуть навіть дати підказки про те, чи був безпосередній продукт магнетаром чи чорною дірою.

«[Гравітаційні хвилі] будуть справді єдиним остаточним шляхом у цьому питанні», — сказав Мецгер.

Відчуваючи гравітаційні шуми злиття нейтронних зірок і спостерігаючи спалахи гамма-випромінювання та кілонові, астрофізики врешті-решт можуть досягти своєї довгострокової мети — повністю визначити походження кожної речовини у Всесвіті — від водню до платини та плутонію. Для цього їм потрібно знати, які типи злиття відбуваються, як часто кожен тип, які елементи виробляє кожен тип і в яких кількостях, і яку роль відіграють інші події, такі як наднові. Це складна справа, яка тільки починається.

«Основною метою все ще є визначення астрофізичних місць, де формується кожен окремий елемент періодичної таблиці», — сказав Леван. «Є ще пробіли, тому ми вважаємо, що це починає заповнювати деякі з цих важливих прогалин».

Примітка редактора: Flatiron Institute фінансується Фондом Сімонса, який також фінансує цей редакційно незалежний журнал. Ні Інститут Флетайрона, ні Фонд Сімонса не мають жодного впливу на наше висвітлення. Доступна додаткова інформація тут.