Régóta rejtély övezi, hogy az univerzumban milyen körülmények között jön létre sok kémiai elem, például azok az elemek, amelyek rendkívül értékesek vagy akár létfontosságúak az általunk ismert élethez.
A csillagászok most egy lépéssel közelebb kerültek a válaszhoz a James Webb-űrteleszkópnak és egy nagy energiájú eseménynek köszönhetően. A valaha észlelt második legfényesebb gammakitörés (GRB), amelyet valószínűleg két neutroncsillag egyesülése okozott, ún. kilonóva-robbanást eredményezett. A Webb érzékeny műszereinek segítségével elsőként vették fel a kilonóva középinfravörös tartománybeli spektrumát, így először láthatták közvetlenül egy ilyen eseményből származó egyedi nehéz elem jelét.
Egy tudóscsoport több űr- és földi távcsövet használt, köztük a NASA James Webb űrtávcsövét, a NASA gammasugárzást észlelő Fermi űrteleszkópját és a NASA Neil Gehrels Swift Obszervatóriumát, hogy megfigyeljenek egy kivételesen fényes gammakitörést, a GRB 230307A-t és azonosítsák a neutroncsillagok egyesülését, amely a kitörést okozó robbanást eredményezte. A Webb segített a tudósoknak a robbanás következményeként létrejött egyik kémiai elem, a tellúr észlelésében is.
A periódusos rendszerben a tellúr közelében lévő egyéb elemek, mint pl. a jód, amelyre a földi élet szempontjából nagy szükség van, nagy valószínűséggel szintén jelen vannak a kilonóva kilökött anyagában. A kilonóva egy olyan robbanás, amelynek során egy neutroncsillag egy fekete lyukkal vagy egy másik neutroncsillaggal egyesül.
„Alig több mint 150 éve, hogy Dmitrij Mengyelejev megalkotta az elemek periódusos rendszerét, most végre abban a helyzetben vagyunk, hogy a Webbnek köszönhetően elkezdjük kitölteni a megértés utolsó pontjait” – mondta Andrew Levan, a holland Radboud Egyetem és az Egyesült Királyságban található Warwick Egyetem munkatársa, a tanulmány vezető szerzője.
Míg a neutroncsillag-összeolvadásról már régóta úgy gondolják, hogy ideális „túlnyomásos tűzhely” a vasnál lényegesen nehezebb elemek létrehozására, a csillagászok korábban akadályokba ütköztek a meggyőző bizonyítékok megszerzése során.
A kilonóvák rendkívül ritkák, ami megnehezíti ezen események megfigyelését. A hagyományosan két másodpercnél rövidebb ideig tartó rövid gammakitörések ritka egyesülések melléktermékei lehetnek. Ezzel szemben a hosszú gammakitörések több percig is eltarthatnak, és általában egy hatalmas csillag robbanásszerű halálához kapcsolódnak.
A GRB 230307A esete különösen figyelemre méltó. Először a Fermi-űrtávcső észlelte márciusban az elmúlt ötven év GRB-megfigyeléseinek második legfényesebb kitörését, amely kb. 1000-szer fényesebb, mint a Fermi által megfigyelt tipikus gammakitörések. 200 másodpercig tartott, amivel eltérő eredete ellenére egyértelműen a hosszú gammakitörések közé tartozik.
„Ez a kitörés a hosszú kategóriába tartozik, de úgy tűnik, hogy összeolvadó neutroncsillagoktól származik” – tette hozzá Eric Burns, a tanulmány társszerzője, a Louisiana State University Fermi-csapatának tagja.
Számos földi és űrtávcső együttműködése lehetővé tette a tudósoknak, hogy rengeteg információt gyűjtsenek össze erről az eseményről, a kitörés első észlelésétől kezdve. Ez egy igazán jó példa arra, hogyan működnek együtt a műholdak és a teleszkópok, hogy szemtanúi legyenek az univerzumban végbemenő változásoknak, ahogy azok kibontakoznak.
Az első észlelés után intenzív megfigyelések sorozata kezdődött mind a földről, mind az űrből, beleértve a Swift-űrtávcsövet is, amely meghatározta a forrás helyét az égen, és nyomon követte, hogyan változott a fényereje. Ezek a gamma-, röntgen-, optikai, infravörös és rádiós megfigyelések azt mutatták, hogy az optikai/infravörös tartományban halvány volt, gyorsan fejlődött, és nagyon vörös lett, ami a kilonóvák jellegzetessége.
„Az ilyen típusú robbanás nagyon gyors, és a robbanásban lévő anyag is gyorsan tágul” – mondta Om Sharan Salafia, a tanulmány társszerzője az INAF Brera Csillagászati Obszervatórium munkatársa. „Ahogy az egész felhő tágul, az anyag gyorsan lehűl, és fényességének csúcsa infravörösben válik láthatóvá, és a napok-hetek múlásával vörösebbé válik.”
Később már lehetetlen lett volna ezt a kilonóvát a földről tanulmányozni, de ezek voltak a tökéletes feltételek ahhoz, hogy Webb NIRCam (Near-Infrared Camera) és NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) műszerei megfigyelhessék ezt a viharos környezetet. A spektrum széles vonalai azt mutatják, hogy az anyag nagy sebességgel lökődik ki, de egy jellemzője egyértelmű: a tellúr által kibocsátott fény, maga a tellúr pedig ritkább elem a Földön, mint a platina.
A Webb rendkívül érzékeny infravörös képességei segítettek a tudósoknak azonosítani a kilonóvát létrehozó két neutroncsillag korábbi otthonát, egy spirálgalaxist, amely körülbelül 120 000 fényévre van az egyesülés helyétől.
Egykor ez a két neutroncsillag két közönséges csillag volt, amelyek kettős rendszert alkottak a nekik otthont adó spirálgalaxisukban. Mivel gravitációsan kötöttek voltak, a két csillag két különleges alkalmat is együtt élt át: amikor a pár egyik tagja szupernóvaként felrobbant és neutroncsillaggá vált, illetve amikor a másik csillag követte példáját.
Ebben az esetben a neutroncsillagok kettős rendszerként maradtak meg két robbanásszerű rázkódás ellenére, és kilökődtek a galaxisukból. A pár megközelítőleg a Tejútrendszer átmérőjének megfelelő távolságot tett meg, mielőtt több százmillió évvel később egyesült volna.
A tudósok arra számítanak, hogy a jövőben még több kilonóvát találnak majd, mivel egyre több lehetőség nyílik arra, hogy az űr- és földi teleszkópok egymást kiegészítő módon tanulmányozzák az univerzum változásait. Míg pl. a Webb minden eddiginél mélyebbre tud bepillantani az űrbe, a NASA közelgő Nancy Grace Roman űrteleszkópjának figyelemre méltóan nagy látómezeje lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy felderítsék, hol és milyen gyakran történnek ezek a robbanások.
„A Webb rendkívüli módon fellendíti a csillagászatot, és még nehezebb elemeket is találhat” – mondta Ben Gompertz, a tanulmány társszerzője a Birminghami Egyetemen munkatársa. „Ahogy egyre gyakoribbak a megfigyelések, a modellek javulni fognak, és a spektrum idővel tovább fejlődhet. A Webb minden bizonnyal kinyitotta az ajtót, hogy sokkal többet láthassunk, és az űrtávcső képességei teljesen átalakítják az univerzum megértését.”
Forrás: Webb Space Telescope
