Dopo un viaggio durato circa due miliardi di anni, i fotoni di un lampo di raggi gamma (GRB) estremamente energetico hanno colpito i sensori dell'Osservatorio Neil Gehrels Swift e del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi il 9 ottobre 2022. Il GRB è durato sette minuti ma era visibile molto più a lungo. Anche gli astrofili hanno notato il potente scoppio nelle frequenze visibili.
Era così potente da influenzare l'atmosfera terrestre, un'impresa notevole per qualcosa che si trova a più di due miliardi di anni luce di distanza. È il GRB più luminoso mai osservato e da allora gli astrofisici ne hanno cercato l'origine.
La NASA afferma che i GRB sono le esplosioni più potenti dell'universo. Furono rilevati per la prima volta alla fine degli anni '60 dai satelliti americani lanciati per tenere d'occhio l'URSS. Gli americani erano preoccupati che i russi potessero continuare a testare le armi atomiche nonostante la firma del Trattato sul divieto dei test nucleari del 1963.
Ora rileviamo circa un GRB al giorno e si trovano sempre in galassie distanti. Gli astrofisici hanno faticato a spiegarli, avanzando ipotesi diverse. Sono state effettuate così tante ricerche al riguardo che entro l'anno 2.000, una media di 1,5 articoli sui GRB venivano pubblicati quotidianamente su riviste scientifiche.
Sono state proposte molte cause diverse. Alcuni pensavano che i GRB potessero essere rilasciati quando le comete entravano in collisione con le stelle di neutroni. Altri pensavano che potessero derivare dal collasso di stelle massicce che diventano buchi neri. In effetti, gli scienziati si chiedevano se quasar, supernovae, pulsar e persino ammassi globulari potessero essere la causa dei GRB o associati in qualche modo ad essi.
I GRB creano confusione perché le loro curve di luce sono molto complesse. Non ce ne sono due identici. Ma gli astrofisici hanno fatto progressi e hanno imparato alcune cose. I GRB di breve durata sono causati dalla fusione di due stelle di neutroni o dalla fusione di una stella di neutroni e di un buco nero. I GRB di lunga durata sono causati dal collasso di una stella massiccia che forma un buco nero.
Nuova ricerca in Astronomia naturale ha esaminato l'ultra energico GRB 221009A, soprannominato "B.O.A.T:il più luminoso di tutti i tempi", e ha scoperto qualcosa di sorprendente. Quando fu scoperto inizialmente, gli scienziati dissero che era stato causato dal collasso di una stella massiccia in un buco nero. La nuova ricerca non lo contraddice. Ma presenta un nuovo mistero:perché non ci sono elementi pesanti nella supernova appena scoperta?
La ricerca è "Rilevamento JWST di una supernova associata al GRB 221009A senza una firma del processo r". L'autore principale è Peter Blanchard, ricercatore post-dottorato del Centro per l'esplorazione e la ricerca interdisciplinare in astrofisica (CIERA).
"Il GRB era così luminoso che ha oscurato qualsiasi potenziale firma di supernova nelle prime settimane e mesi dopo l'esplosione", ha detto Blanchard. "In questi momenti, il cosiddetto bagliore del GRB era come i fari di un'auto che ti venivano incontro, impedendoti di vedere l'auto stessa. Quindi, abbiamo dovuto aspettare che si affievolisse in modo significativo per darci la possibilità di vedendo la supernova."
"Quando abbiamo confermato che il GRB è stato generato dal collasso di una stella massiccia, questo ci ha dato l'opportunità di testare un'ipotesi su come si formano alcuni degli elementi più pesanti nell'universo", ha detto l'autore principale Blanchard.
"Non abbiamo visto tracce di questi elementi pesanti, suggerendo che i GRB estremamente energetici come il B.O.A.T. non producono questi elementi. Ciò non significa che tutti i GRB non li producono, ma è un'informazione chiave mentre continuiamo a capire da dove provengono questi elementi pesanti. Le future osservazioni con JWST determineranno se i cugini "normali" del B.O.A.T. producono questi elementi."
Gli scienziati sanno che le esplosioni di supernova forgiano elementi pesanti. Sono un'importante fonte di elementi dall'ossigeno (numero atomico 8) al rubidio (numero atomico 37) nel mezzo interstellare. Producono anche elementi più pesanti di così. Gli elementi pesanti sono necessari per formare pianeti rocciosi come la Terra e per la vita stessa. Ma è importante notare che gli astrofisici non comprendono completamente come vengono prodotti gli elementi pesanti.
"Questo evento è particolarmente emozionante perché alcuni avevano ipotizzato che un lampo di raggi gamma luminosi come il BOAT potrebbe produrre molti elementi pesanti come l'oro e il platino", ha detto il secondo autore Ashley Villar dell'Università di Harvard e del Center for Astrophysicals | Harvard e Smithsonian. "Se avessero ragione, il B.O.A.T. avrebbe dovuto essere una miniera d'oro. È davvero sorprendente che non abbiamo trovato alcuna prova di questi elementi pesanti."
Le stelle forgiano elementi pesanti mediante nucleosintesi. Tre processi sono responsabili di ciò:il processo p, il processo s e il processo r (processo di cattura dei protoni, processo di cattura lenta dei neutroni e processo di cattura rapida dei neutroni). Il processo r cattura i neutroni più velocemente del processo s- processo ed è responsabile di circa la metà degli elementi più pesanti del ferro. Il processo r è anche responsabile degli isotopi più stabili di questi elementi pesanti.
Questo è tutto per illustrare l'importanza del processo r nell'universo.
I ricercatori hanno utilizzato il JWST per arrivare in fondo al GRB 221009A. Il GRB era oscurato dalla Via Lattea, ma il JWST rileva la luce infrarossa e vede attraverso il gas e la polvere della Via Lattea. Il NIRSpec (spettrografo del vicino infrarosso) del telescopio rileva elementi come l'ossigeno e il calcio, solitamente presenti nelle supernovae. Ma le tracce non erano molto luminose, una sorpresa considerando quanto fosse brillante la supernova.
"Non è più luminosa delle supernove precedenti", ha detto l'autore principale Blanchard. "Sembra abbastanza normale nel contesto di altre supernove associate a GRB meno energetici. Ci si potrebbe aspettare che la stessa stella che collassa producendo un GRB molto energetico e luminoso produca anche una supernova molto energetica e luminosa. Ma si scopre che non è così. . Abbiamo questo GRB estremamente luminoso, ma una normale supernova."
Confermare la presenza della supernova è stato un grande passo avanti verso la comprensione del GRB 221009A. Ma la mancanza di una firma del processo r crea ancora confusione.
Gli scienziati hanno confermato solo il processo r nella fusione di due stelle di neutroni, chiamato esplosione di kilonova. Ma ci sono troppo poche fusioni di stelle di neutroni per spiegare l'abbondanza di elementi pesanti.
"C'è probabilmente un'altra fonte", ha detto Blanchard. "Ci vuole molto tempo perché le stelle di neutroni binarie si fondano. Due stelle in un sistema binario devono prima esplodere per lasciare dietro di sé stelle di neutroni. Poi, possono volerci miliardi e miliardi di anni prima che le due stelle di neutroni si avvicinino lentamente e si avvicinano e infine si fondono. Ma le osservazioni di stelle molto vecchie indicano che parti dell'universo si arricchirono di metalli pesanti prima che la maggior parte delle stelle binarie di neutroni avessero il tempo di fondersi."
I ricercatori si sono chiesti se supernove luminose come questa possano spiegare il resto. Le supernovae hanno uno strato interno in cui potrebbero essere sintetizzati elementi più pesanti. Ma quello strato è oscurato. Solo quando le acque si saranno calmate sarà visibile lo strato interno.
"Il materiale esploso della stella è opaco nei primi tempi, quindi puoi vedere solo gli strati esterni", ha detto Blanchard. "Ma una volta che si espande e si raffredda, diventa trasparente. Quindi puoi vedere i fotoni provenienti dallo strato interno della supernova."
Tutti gli elementi hanno firme spettroscopiche e NIRSpec di JWST è uno strumento molto capace. Ma non è riuscito a rilevare elementi più pesanti, nemmeno nello strato interno della supernova.
"Esaminando lo spettro del B.O.A.T.", non abbiamo visto alcuna traccia di elementi pesanti, suggerendo che eventi estremi come GRB 221009A non siano fonti primarie", ha detto l'autore principale Blanshard. "Questa è un'informazione cruciale mentre continuiamo a cercare di individuare dove si formano gli elementi più pesanti."
Gli scienziati sono ancora incerti sul GRB e sulla sua mancanza di elementi pesanti. Ma c'è un'altra caratteristica che potrebbe offrire un indizio:i jet.
"Un secondo sito proposto per il processo r è nei nuclei in rapida rotazione di stelle massicce che collassano in un buco nero in accrescimento, producendo condizioni simili a quelle successive a una fusione BNS", scrivono gli autori nel loro articolo. "Le simulazioni teoriche suggeriscono che i deflussi del disco di accrescimento in questi cosiddetti 'collapsar' potrebbero raggiungere lo stato ricco di neutroni richiesto affinché si verifichi il processo r."
I deflussi del disco di accrescimento a cui fanno riferimento i ricercatori sono getti relativistici. Più i getti sono stretti, più la loro energia sarà luminosa e concentrata.
"È come focalizzare il raggio di una torcia elettrica su una colonna stretta, al contrario di un raggio ampio che attraversa un'intera parete", ha detto Laskar. "In effetti, questo è stato uno dei getti più stretti visti finora per un lampo di raggi gamma, il che ci dà un indizio sul motivo per cui il bagliore residuo appariva così luminoso. Potrebbero esserci anche altri fattori responsabili, una domanda che i ricercatori studieranno negli anni a venire."
I ricercatori hanno anche utilizzato NIRSpec per raccogliere uno spettro dalla galassia ospite del GRB. Ha la metallicità più bassa di qualsiasi galassia conosciuta che ospita un GRB. Potrebbe essere un fattore?
"Questo è uno degli ambienti con la metallicità più bassa tra tutti gli LGRB, che è una classe di oggetti che preferiscono le galassie a bassa metallizzazione, ed è, a nostra conoscenza, l'ambiente con la metallicità più bassa fino ad oggi di un GRB-SN," scrivono gli autori. nella loro ricerca. "Ciò potrebbe suggerire che è necessaria una metallicità molto bassa per produrre un GRB molto energetico."
"Lo spettro mostra segni di formazione stellare, suggerendo che l'ambiente di nascita della stella originale potrebbe essere diverso rispetto agli eventi precedenti", ha detto Blanshard.
Yijia Li è una studentessa laureata alla Penn State e coautrice dell'articolo. "Questo è un altro aspetto unico del B.O.A.T. che può aiutare a spiegare le sue proprietà", ha detto Li. "L'energia rilasciata nel B.O.A.T. era completamente fuori scala, uno degli eventi più energetici che gli esseri umani abbiano mai visto. Il fatto che sembri essere nato da gas quasi primordiale può essere un indizio importante per comprendere le sue proprietà superlative. "
Questo è un altro caso in cui la risoluzione di un mistero porta ad un altro senza risposta. Il JWST è stato lanciato per rispondere ad alcune delle nostre domande fondamentali sull'universo. Confermando che dietro il GRB più potente mai rilevato si nasconde una supernova, ha svolto parte del suo lavoro.
Ma ha anche scoperto un altro mistero e ci ha lasciato di nuovo in sospeso.
Il JWST funziona come previsto.
Ulteriori informazioni: Peter K. Blanchard et al, rilevamento JWST di una supernova associata al GRB 221009A senza una firma del processo r, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
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