Sikerült megoldani az eddig észlelt legfényesebb gamma-kitörés rejtélyét

8134

A James Webb-űrtávcső adatainak segítségével most végre sikerült megfejtenie a kutatóknak az ősrobbanás óta megtörtént legnagyobb kozmikus robbanás, a BOAT (Brightest of All Time, vagyis minden idők legfényesebbje) rejtélyét.

A BOAT, mint ahogy a rövidítés angol nyelvű kiírásának fordítása is mutatja, minden idők legfényesebb gamma-kitörése (gamma-ray burst, GRB) volt, kialakulásáért pedig valószínűleg egy kb. 2 milliárd fényévre lévő, nagy tömegű csillag halálakor bekövetkező szupernóva-robbanás a felelős. Az erőteljes fényjelenséggel járó folyamat talán maga után vonta egy fekete lyuk megszületését is.

A kozmikus rejtély megfejtésével azonban további megválaszolatlan kérdések merültek fel: egy GRB-vel kísért szupernóva-robbanás során ugyanis az aranyhoz, illetve a platinához hasonló nehéz elemek is keletkeznek, ezeknek nyomait azonban a kutatók nem találták sehol.

Illusztráció a minden idők legnagyobb gamma-kitörését produkáló szupernóva–robbanásról.(Forrás: Aaron M. Geller / Northwestern / CIERA / IT Research Computing and Data Services.)

A kutatást vezető Peter Blanchard a következőképp nyilatkozott csoportja újonnan elért eredményeiről: „Most egy olyan eseménynek lehettünk tanúi, amely 10 000 évente egyszer történik meg: gamma-sugarakat detektáló műszereinkbe olyan nagy energiával csapódtak be a fotonok, mint még soha. Amikor kutatásunk során megerősítést nyert, hogy a GRB-t egy nagy tömegű csillag felrobbanása hozta létre, úgy gondoltuk, hogy a jelenség vizsgálatával kiváló lehetőségünk nyílik majd arra, hogy többet tudjunk meg az Univerzum legnehezebb elemeinek keletkezéséről. Várakozásainkkal ellentétben azonban nem sikerült ezeknek az elemeknek a jelenlétét kimutatni a rendszerben. Ez alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a BOAT-hoz hasonló, nagy energiájú gamma-kitörésekkor mégsem jönnek létre szükségszerűen az említett nehéz elemek.”

Minden idők legfényesebb GRB-je

Az eredetileg GRB 221009A néven számon tartott BOAT eseményt 2022. október 9-én detektálták, s extrém fényességével rögtön kitűnt a többi gamma-kitörés közül. A nagy energiájú gamma-sugarak detektálása után több, halványabb utófénylést is megfigyeltek a kutatók az elektromágneses sugárzás különféle hullámhosszain. Az eseményt a gamma- és röntgentávcsövek rögzítették először, a kutatók pedig azonnal elkezdték keresni a kitörés lehetséges forrását a Nyíl csillagkép irányában.

„A mostani volt a valaha észlelt legfényesebb GRB, mégpedig körülbelül tízszer olyan fényes volt, mint az eddigiek.” – mondta a BOAT egyik felfedezője. Blanchard csoportja azonban nem siette el a rendkívüli esemény vizsgálatának publikálását, hanem megfigyelte a gamma-kitörés fényességének lecsengését. Több mint fél évvel az első detektálás után a halványuló GRB felé irányították a James Webb-űrtávcső tükreit, hogy részletesebben is megvizsgálhassák.

A BOAT esemény, ahogy a röntgentartományon működő Swift-űrtávcső látta egy órával a kitörés után. (Forrás: NASA/Swift/A. Beardmore (University of Leicester))

„A GRB olyannyira fényes volt, hogy a kitörés utáni első hónapokban teljesen kitakarta a forrásául szolgáló szupernóva-robbanás felismerhető jeleit.” – magyarázta Blanchard. – „A több hullámhosszon is megfigyelhető utófénylést egy szembe jövő autó lámpájához hasonlítanám, amelytől nem látjuk magát a szembe jövő autót. Éppen ezért ahhoz, hogy a szupernóvát megpillanthassuk, várnunk kellett, amíg ez a kozmikus lámpa jelentősen elhalványul.”

A James Webb-űrtávcső közeli infravörös tartományban működő NIRSpec spektrográfjával a csoportnak sikerült megvizsgálnia a BOAT infravörös utófénylését, és kimutatni a szupernóva-robbanások során gyakran létrejövő kalcium és oxigén jelenlétét a színképekben. Ami azonban meglepőnek bizonyult, az az, hogy a minden idők legfényesebb gamma-kitörését létrehozó szupernóva-robbanás átlagosnak bizonyult.

Illusztráció egy „átlagos” szupernóva-robbanásról. (Forrás: Melissa Weiss/CfA)

„Nem volt fényesebb azoknál a szupernóváknál, amelyek kevésbé fényes GRB-t hoztak létre.” – mondta Blanchard. – „Azt várnánk, hogy egy ilyen nagy energiájú gamma-kitörés helyén egy hozzá méltóképpen fényes szupernóvát figyelhessünk meg, ámde ez jelen esetben nem így történt: egy átlagos szupernóvát láttunk az extrém fényes GRB idején.”

Mindmáig rejtélyes, hogy egy „közönséges” szupernóva hogyan képes ilyen hatalmas energiát felszabadító GRB létrehozására. A kutatók úgy gondolják, hogy a BOAT fényességének forrása a szupernóvaként robbanó nagy tömegű csillag magjának összeomlásakor létrejött fekete lyuk pólusai mentén kiáramló jet alakjában és struktúrájában rejlik. Minél gyorsabban forog ugyanis az összeomló csillag, annál keskenyebb és következésképp annál fényesebb lesz a belőle közel fénysebességgel kiáramló sugárnyaláb. Ez összhangban van azzal a tapasztalattal, miszerint a BOAT esetén kiemelkedően keskeny jetet véltek látni a csillagászok. A gyors forgás mellett természetesen egyéb jelenségek is közrejátszhattak a GRB kimagasló fényességének kialakításában.

Ami szintén kérdéseket vet fel a jelenséggel kapcsolatban, az a nehéz elemek hiánya a vizsgált színképekben.

A hiányzó elemek rejtélye

A csillagok belseje a hagyma héjas szerkezetéhez hasonlít: a külső héjak könnyebb, a belső héjak pedig nehezebb elemeket tartalmaznak. A fúziós folyamatok azonban még a legnagyobb tömegű csillagok esetén is csak az 56-os tömegszámú vas kialakulásáig zajlanak. A vasnál nehezebb elemek, mint például az arany vagy a platina még nagyobb energiájú folyamatok, például neutroncsillagok összeolvadása során keletkezhetnek. Ennek az elméletnek a bizonyításában nagy szerepet játszik a James Webb-űrtávcső is. A kutatók egy másik elképzelése a vasnál nehezebb elemek kialakulására a GRB-ket létrehozni képes, nagy energiájú szupernóva-robbanások során lejátszódó folyamatokban rejlik. Önmagukban az összeolvadó neutroncsillagok ugyanis nem lennének képesek annyi nehéz elemet létrehozni, mint amennyit az Univerzumban megfigyelhetünk.

Összeolvadó neutroncsillagok művészi ábrázolása. (Forrás: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science.)

Blanchard szerint nagyon sok idő szükséges a neutroncsillagok egyesüléséhez: a kettős csillagrendszer tagjainak először fel kell robbanniuk szupernóvaként, hogy azután neutroncsillagot hagyjanak maguk után maradványul. Ezután évmilliárdok kellenek ahhoz, hogy a két csillag egyre közelebb kerülve egymáshoz végül összeolvadjon. Ezzel ellentétben már a korai Univerzumban is voltak nehéz elemek, még azelőtt, hogy az első neutroncsillagok összeolvadtak volna. Éppen ezért valószínűleg a nehéz elemek kialakításában más folyamatok is szerepet játszanak. Ilyen folyamat lehet például a BOAT-ot is létrehozó, nagy tömegű, gyorsan forgó csillagok felrobbanása is.

A JWST adatait használva Blanchard kutatócsoportja bepillantást nyert a felrobbanó csillag belső régióiba, ahol az elméletek szerint képesek kialakulni a vasnál nehezebb elemek. „A szupernóva-robbanás során a táguló lökéshullám anyaga eleinte átlátszatlan. – mondta a kutatásvezető. – „Ám ahogy egyre inkább tágul és hűl a maradvány, egyre átlátszóbbá válik, és így betekintést nyerhetünk a csillag egyre mélyebb rétegeibe. Ezenkívül a különböző kémiai elemek a spektrum más-más hullámhosszán nyelnek el, illetve bocsátanak ki fotonokat, így a róluk készített színképen egyértelműen azonosíthatóak. Ez azt jelenti, hogy egy objektum színképének megfigyelésével feltárhatjuk a kémiai összetételét. A BOAT spektrumának vizsgálatakor azonban nagy meglepetésünkre nem láttuk a vasnál nehezebb elemek jeleit. Ebből arra következtetünk, hogy mégsem a GRB 221009A-hez hasonló extrém események a nehéz elemek kialakulásának elsődleges forrásai. Ez a felismerés kulcsfontosságú a nehéz elemek kialakulásának vizsgálata szempontjából.”

Egy összeomló nagy tömegű csillagból kiáramló gamma-kitörés művészi ábrázolása. (Forrás: NASA, ESA and M. Kornmesser.)

Blanchard szerint azonban az, hogy a BOAT környezetében nem sikerült nehéz elemeket kimutatni, nem jelenti azt, hogy a GRB-ket létrehozó szupernóvák nem hozhatnak létre ilyen elemeket, így vizsgálatuk a továbbiakban is fontos. Nem szükségszerű ugyanis, hogy mindegyik GRB környezetében kialakulhassanak ezek az elemek, az is elég, ha csak néhány esetben történik ez meg. A folyamat teljes megértéséhez azonban további mérések szükségesek a James Webb-űrtávcsővel.

Az itt leírt eredményekről szóló tanulmány a Nature Astronomy című, igen nívós folyóiratban jelent meg április 12-én.

A cikk forrása:

https://www.space.com/boat-brightest-cosmic-blast-of-all-time-source-massive-star-death

Hozzászólás

hozzászólás