Ярчайший гамма-всплеск породила коллапсирующая звезда
После путешествия, длившегося около двух миллиардов лет, 9 октября 2022 года фотоны от чрезвычайно энергичного гамма-всплеска (GRB) попали на датчики обсерватории Свифта Нила Герелса и космического гамма-телескопа Ферми. Гамма-всплеск продолжался семь минут, но был виден гораздо дольше. Даже астрономы-любители заметили мощный всплеск на видимых частотах. Оно было настолько мощным, что повлияло на атмосферу Земли, что является выдающимся достижением для объекта, находящегося на расстоянии более двух миллиардов световых лет. Это самое яркое из когда-либо наблюдавшихся гамма-всплесков, и с тех пор астрофизики ищут его источник. НАСА утверждает, что гамма-всплески являются самыми мощными взрывами во Вселенной. Впервые они были обнаружены в конце 1960-х годов американскими спутниками, запущенными для наблюдения за СССР. Американцы были обеспокоены тем, что русские могут продолжить испытания атомного оружия, несмотря на подписание в 1963 году Договора о запрещении ядерных испытаний.
Сейчас мы регистрируем около одного гамма-всплеска в день, и они всегда находятся в отдаленных галактиках. Астрофизики изо всех сил пытались объяснить их, выдвигая различные гипотезы. Их изучалось так много, что к 2000 году в научных журналах ежедневно публиковалось в среднем 1,5 статьи о гамма-всплесках. Было предложено много различных причин. Некоторые полагали, что гамма-всплески могут высвобождаться при столкновении комет с нейтронными звездами. Другие полагали, что они могут возникать в результате коллапса массивных звезд, которые превращаются в черные дыры. На самом деле ученые задавались вопросом, могут ли квазары, сверхновые, пульсары и даже шаровые скопления быть причиной гамма-всплесков или как-то с ними связаны. Гамма-всплески вызывают недоумение, потому что их кривые блеска очень сложны. Нет двух одинаковых. Но астрофизики добились прогресса и узнали несколько вещей. Кратковременные гамма-всплески возникают в результате слияния двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Более длительные гамма-всплески возникают в результате коллапса массивной звезды и образования черной дыры.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, изучило сверхэнергетический GRB 221009A, получивший название "B.O.A.T: Самый яркий за все время", и обнаружило нечто удивительное. Когда она была впервые обнаружена, ученые говорили, что она была вызвана коллапсом массивной звезды в черную дыру. Новое исследование не противоречит этому. Но это открывает новую загадку: почему в недавно обнаруженной сверхновой нет тяжелых элементов? Исследование называется "Первое обнаружение сверхновой, связанной с GRB 221009A, без признаков r-процесса". Ведущий автор - Питер Бланшар, научный сотрудник Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA). "Гамма-всплеск был настолько ярким, что в первые недели и месяцы после вспышки он скрывал любые потенциальные признаки сверхновой", - сказал Бланшар. "В это время так называемое послесвечение гамма-всплеска было похоже на свет фар автомобиля, едущего прямо на вас, и мешало разглядеть саму машину. Поэтому нам пришлось подождать, пока оно значительно ослабнет, чтобы дать нам шанс увидеть сверхновую".
"Когда мы подтвердили, что гамма-всплеск был вызван коллапсом массивной звезды, это дало нам возможность проверить гипотезу о том, как образуются некоторые из самых тяжелых элементов во Вселенной", - сказал ведущий автор Бланшар. "Мы не видели сигнатур этих тяжелых элементов, что позволяет предположить, что чрезвычайно энергичные гамма-всплески, подобные B.O.A.T., не производят эти элементы. Это не означает, что все гамма-всплески не производят их, но это ключевая информация, поскольку мы продолжаем понимать, откуда берутся эти тяжелые элементы. Будущие наблюдения с помощью JWST позволят определить, производят ли "нормальные" родственники B.O.A.T. эти элементы". Ученым известно, что взрывы сверхновых приводят к образованию тяжелых элементов. Они являются важным источником элементов от кислорода (атомный номер 8) до рубидия (атомный номер 37) в межзвездной среде. Они также производят более тяжелые элементы, чем эти. Тяжелые элементы необходимы для формирования скалистых планет, подобных Земле, и для самой жизни. Но важно отметить, что астрофизики не до конца понимают, как образуются тяжелые элементы.
"Это событие особенно захватывающее, потому что некоторые предположили, что яркий гамма-всплеск, подобный B.O.A.T., может привести к образованию большого количества тяжелых элементов, таких как золото и платина", - сказал второй автор Эшли Виллар из Гарвардского университета и Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института. "Если они были правы, то Б.О.А.Т. должен был стать золотой жилой. Действительно, поразительно, что мы не обнаружили никаких свидетельств наличия этих тяжелых элементов". Звезды вырабатывают тяжелые элементы путем нуклеосинтеза. За это отвечают три процесса: p-процесс, s-процесс и r-процесс (процесс захвата протонов, процесс захвата медленных нейтронов и процесс захвата быстрых нейтронов). R-процесс улавливает нейтроны быстрее, чем s-процесс, и отвечает за образование примерно половины элементов тяжелее железа. r-процесс также отвечает за образование наиболее стабильных изотопов этих тяжелых элементов. Все это иллюстрирует важность r-процесса во Вселенной.
Исследователи использовали JWST, чтобы добраться до сути GRB 221009A. Гамма-всплеск был скрыт Млечным Путем, но JWST улавливает инфракрасный свет и видит сквозь газ и пыль Млечного Пути. Спектрограф телескопа NIRSpec (ближний инфракрасный спектрограф) обнаруживает такие элементы, как кислород и кальций, которые обычно обнаруживаются в сверхновых. Но сигнатуры были не очень яркими, что удивительно, учитывая яркость сверхновой. "Она ничуть не ярче предыдущих сверхновых", - сказал ведущий автор исследования Бланшар. "Она выглядит довольно обычной в контексте других сверхновых, связанных с менее энергичными гамма-всплесками. Можно было бы ожидать, что одна и та же коллапсирующая звезда, образующая очень энергичный и яркий гамма-всплеск, также породит очень энергичную и яркую сверхновую. Но оказалось, что это не так. У нас есть этот чрезвычайно яркий гамма-всплеск, но обычная сверхновая." Подтверждение существования сверхновой стало большим шагом к пониманию GRB 221009A. Однако отсутствие сигнатуры r-процесса по-прежнему вызывает недоумение.
Ученые только подтвердили r-процесс при слиянии двух нейтронных звезд, называемый килоновым взрывом. Но слияний нейтронных звезд слишком мало, чтобы объяснить обилие тяжелых элементов. "Вероятно, существует другой источник", - сказал Бланшар. "Слиянию двойных нейтронных звезд требуется очень много времени. Две звезды в двойной системе сначала должны взорваться, чтобы остались нейтронные звезды. Затем двум нейтронным звездам могут потребоваться миллиарды и миллиарды лет, чтобы медленно сблизиться и, наконец, слиться. Но наблюдения за очень старыми звездами показывают, что некоторые части Вселенной были обогащены тяжелыми металлами еще до того, как большинство двойных нейтронных звезд успели бы слиться. Это указывает нам на альтернативный канал". Исследователи задавались вопросом, могут ли подобные светящиеся сверхновые объяснить все остальное. У сверхновых есть внутренний слой, в котором могут синтезироваться более тяжелые элементы. Но этот слой скрыт. Только после того, как все успокоится, можно будет увидеть внутренний слой.
"Материал взорвавшейся звезды на ранних стадиях непрозрачен, поэтому вы можете видеть только внешние слои", - сказал Бланшар. "Но как только он расширяется и охлаждается, он становится прозрачным. Тогда вы сможете увидеть фотоны, исходящие из внутреннего слоя сверхновой". Все элементы имеют спектроскопические признаки, и NIRSpec от JWST - очень эффективный инструмент. Но он не смог обнаружить более тяжелые элементы даже во внутреннем слое сверхновой. "Изучив спектр B.O.A.T., мы не обнаружили никаких признаков присутствия тяжелых элементов, что позволяет предположить, что экстремальные явления, подобные GRB 221009A, не являются первичными источниками", - сказал ведущий автор Бланшард. "Это важнейшая информация, поскольку мы продолжаем пытаться определить, где образуются самые тяжелые элементы". Ученые все еще не уверены в отношении гамма-всплесков и отсутствия в них тяжелых элементов. Но есть еще одна особенность, которая может дать ключ к разгадке: струи.
"Второе предполагаемое место возникновения r-процесса находится в быстро вращающихся ядрах массивных звезд, которые коллапсируют в аккрецирующую черную дыру, создавая условия, аналогичные последствиям слияния BNS", - пишут авторы в своей статье. "Теоретические расчеты показывают, что потоки из аккреционных дисков в этих так называемых "коллапсарах" могут достигать состояния, богатого нейтронами, необходимого для возникновения r-процесса". Потоки из аккреционного диска, о которых говорят исследователи, являются релятивистскими струями. Чем уже струи, тем ярче и целенаправленнее их энергия. "Это похоже на фокусировку луча фонарика на узкой колонне, в отличие от широкого луча, который проходит по всей стене", - сказал Ласкар. "На самом деле, это была одна из самых узких струй, наблюдавшихся до сих пор при гамма-всплеске, что дает нам представление о том, почему послесвечение оказалось таким ярким. Возможно, причиной могут быть и другие факторы, и этот вопрос исследователи будут изучать еще долгие годы".
Исследователи также использовали NIRSpec для сбора спектра галактики, в которой находится гамма-всплеск. У нее самая низкая металличность из всех известных галактик, в которых находится гамма-всплеск. Может ли это быть важным фактором? "Это одна из сред с самой низкой металличностью среди всех LGRB, которые относятся к классу объектов, предпочитающих галактики с низкой металличностью, и, насколько нам известно, это самая низкая металличность среди GRB-SN на сегодняшний день", - пишут авторы в своем исследовании. "Это может свидетельствовать о том, что для получения очень энергичного гамма-всплеска требуется очень низкая металличность". "Спектр показывает признаки звездообразования, намекая на то, что среда рождения первоначальной звезды может отличаться от предыдущих событий", - сказал Бланшар.
Ицзя Ли - аспирант Пенсильванского университета и соавтор статьи. "Это еще один уникальный аспект B.O.A.T., который может помочь объяснить его свойства", - сказал Ли. "Энергия, выделившаяся при взрыве, была совершенно невероятной, это одно из самых энергичных событий, которые когда-либо видели люди. Тот факт, что он также, по-видимому, образуется из почти первичного газа, может быть важным ключом к пониманию его превосходных свойств". Это еще один случай, когда разгадка одной тайны приводит к другой, оставшейся без ответа. JWST был запущен, чтобы ответить на некоторые из наших основополагающих вопросов о Вселенной. Подтвердив, что за самыми мощными из когда-либо обнаруженных гамма-всплесков стоит сверхновая, он выполнил часть своей работы. Но это также выявило еще одну загадку, которая снова оставила нас в подвешенном состоянии. JWST работает так, как задумывалось.
