Nell'ottobre 2022, un team internazionale di ricercatori, tra cui astrofisici della Northwestern University, ha osservato il lampo di raggi gamma (GRB) più luminoso mai registrato, GRB 221009A.
Ora, un team guidato dalla Northwestern ha confermato che il fenomeno responsabile dello storico scoppio, soprannominato B.O.A.T. ("la più luminosa di tutti i tempi") - è il collasso e la successiva esplosione di una stella massiccia. Il team ha scoperto l'esplosione, o supernova, utilizzando il telescopio spaziale James Webb (JWST) della NASA.
Mentre questa scoperta risolve un mistero, un altro mistero si approfondisce.
I ricercatori hanno ipotizzato che prove di elementi pesanti, come platino e oro, potrebbero risiedere all’interno della supernova appena scoperta. La ricerca approfondita, tuttavia, non ha trovato la firma che accompagna tali elementi. L'origine degli elementi pesanti nell'universo continua a rimanere una delle più grandi questioni aperte dell'astronomia.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Astronomy .
"Quando abbiamo confermato che il GRB è stato generato dal collasso di una stella massiccia, ciò ci ha dato l'opportunità di testare un'ipotesi su come si formano alcuni degli elementi più pesanti nell'universo", ha affermato Peter Blanchard della Northwestern, che ha guidato lo studio.
"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."
Quando la sua luce si è riversata sulla Terra il 9 ottobre 2022, la B.O.A.T. era così brillante da saturare la maggior parte dei rilevatori di raggi gamma del mondo. La potente esplosione è avvenuta a circa 2,4 miliardi di anni luce dalla Terra, in direzione della costellazione della Sagitta ed è durata poche centinaia di secondi. Mentre gli astronomi si affrettavano a osservare l'origine di questo fenomeno incredibilmente luminoso, furono immediatamente colpiti da un senso di stupore.
"Finché siamo stati in grado di rilevare i GRB, non c'è dubbio che questo GRB sia il più luminoso che abbiamo mai visto con un fattore 10 o più", Wen-fai Fong, professore associato di fisica e astronomia al Weinberg della Northwestern. College of Arts and Sciences e membro del CIERA, disse all'epoca.
"L'evento ha prodotto alcuni dei fotoni con la più alta energia mai registrati dai satelliti progettati per rilevare i raggi gamma", ha detto Blanchard. "Questo è un evento che la Terra vede solo una volta ogni 10.000 anni. Abbiamo la fortuna di vivere in un'epoca in cui disponiamo della tecnologia per rilevare queste esplosioni che si verificano in tutto l'universo. È così emozionante osservare un fenomeno astronomico così raro come il B.O.A.T. e lavorare per comprendere la fisica dietro questo evento eccezionale."
Piuttosto che osservare l’evento immediatamente, Blanchard, la sua stretta collaboratrice Ashley Villar dell’Università di Harvard e il loro team hanno voluto vedere il GRB durante le sue fasi successive. Circa sei mesi dopo il rilevamento iniziale del GRB, Blanchard ha utilizzato il JWST per esaminarne le conseguenze.
"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."
Blanchard ha utilizzato lo spettrografo del vicino infrarosso del JWST per osservare la luce dell'oggetto alle lunghezze d'onda dell'infrarosso. Fu allora che vide la caratteristica firma di elementi come il calcio e l'ossigeno tipicamente presenti all'interno di una supernova. Sorprendentemente, non era eccezionalmente luminoso, come l'incredibilmente luminoso GRB che lo accompagnava.
"Non è più luminosa delle supernove precedenti", ha detto 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."
Dopo aver confermato, per la prima volta, la presenza della supernova, Blanchard e i suoi collaboratori hanno cercato prove della presenza di elementi pesanti al suo interno. Attualmente, gli astrofisici hanno un quadro incompleto di tutti i meccanismi dell'universo che possono produrre elementi più pesanti del ferro.
Il meccanismo principale per la produzione di elementi pesanti, il processo rapido di cattura dei neutroni, richiede un'elevata concentrazione di neutroni. Finora, gli astrofisici hanno confermato solo la produzione di elementi pesanti attraverso questo processo nella fusione di due stelle di neutroni, una collisione rilevata dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel 2017.
Ma gli scienziati sostengono che ci devono essere altri modi per produrre questi materiali sfuggenti. Ci sono semplicemente troppi elementi pesanti nell'universo e troppo poche fusioni di stelle di neutroni.
"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 più vicini e infine unisci.
"Ma le osservazioni di stelle molto antiche 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. Questo ci indica un canale alternativo."
Gli astrofisici hanno ipotizzato che gli elementi pesanti potrebbero essere prodotti anche dal collasso di una stella massiccia e in rapida rotazione, l’esatto tipo di stella che ha generato il B.O.A.T. Utilizzando lo spettro infrarosso ottenuto dal JWST, Blanchard studiò gli strati interni della supernova, dove si dovrebbero formare gli elementi pesanti.
"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."
"Inoltre, diversi elementi assorbono ed emettono fotoni a diverse lunghezze d'onda, a seconda della loro struttura atomica, conferendo a ciascun elemento una firma spettrale unica", ha spiegato Blanchard. "Pertanto, osservare lo spettro di un oggetto può dirci quali elementi sono presenti. Esaminando lo spettro del B.O.A.T., non abbiamo visto alcuna traccia di elementi pesanti, suggerendo che eventi estremi come GRB 221009A non sono fonti primarie. Questa è un'informazione cruciale poiché continuiamo a cercare di individuare dove si formano gli elementi più pesanti."
Per distinguere la luce della supernova da quella del brillante bagliore che l'ha preceduta, i ricercatori hanno accoppiato i dati JWST con le osservazioni dell'Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Cile.
"Anche diversi mesi dopo la scoperta dell'esplosione, il bagliore residuo era abbastanza luminoso da contribuire con molta luce negli spettri JWST", ha detto Tanmoy Laskar, assistente professore di fisica e astronomia presso l'Università dello Utah e coautore dello studio. studiare.
"La combinazione dei dati dei due telescopi ci ha aiutato a misurare esattamente quanto luminoso fosse il bagliore residuo al momento delle nostre osservazioni JWST e ci ha permesso di estrarre con attenzione lo spettro della supernova."
Sebbene gli astrofisici debbano ancora scoprire come una supernova "normale" e un GRB da record siano stati prodotti dalla stessa stella collassata, Laskar ha affermato che potrebbe essere correlato alla forma e alla struttura dei getti relativistici. Quando ruotano rapidamente, le stelle massicce collassano in buchi neri, producono getti di materiale che vengono lanciati a velocità vicine alla velocità della luce. Se questi getti sono stretti, producono un fascio di luce più focalizzato e più luminoso.
"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."
Ulteriori indizi potrebbero arrivare anche da futuri studi della galassia in cui il B.O.A.T. si è verificato. "Oltre ad uno spettro della stessa BOAT, abbiamo anche ottenuto uno spettro della sua galassia 'ospite'", ha detto Blanchard. "Lo spettro mostra segni di intensa formazione stellare, suggerendo che l'ambiente di nascita della stella originale potrebbe essere diverso rispetto agli eventi precedenti."
Il membro del team Yijia Li, uno studente laureato alla Penn State, ha modellato lo spettro della galassia, scoprendo che la galassia ospite del B.O.A.T. ha la metallicità più bassa, una misura dell'abbondanza di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, di tutti i precedenti ospiti GRB. galassie. "Questo è un altro aspetto unico del B.O.A.T. che può aiutare a spiegare le sue proprietà", ha detto Li.
Questo lavoro si basa sulle osservazioni effettuate con il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA.
Blanchard è un ricercatore post-dottorato presso il Centro per l'esplorazione interdisciplinare e la ricerca in astrofisica (CIERA) della Northwestern, dove studia le supernove superluminose e i GRB. Lo studio comprende coautori del Centro di Astrofisica | Harvard e Smithsonian; Università dell'Utah; Penn State; Università della California, Berkeley; Radbound University nei Paesi Bassi; Istituto di scienza del telescopio spaziale; Università dell'Arizona/Osservatorio Steward; Università della California, Santa Barbara; Università della Columbia; Istituto del ferro da stiro; Università di Greifswald e Università di Guelph.
Ulteriori informazioni: Rilevamento JWST di una supernova associata al GRB 221009A senza firma del processo r', Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02237-4
Informazioni sul giornale: Astronomia naturale
Fornito dalla Northwestern University
