Il collasso della stella massiccia provoca il lampo di raggi gamma più luminoso mai visto

Nell’ottobre 2022, un team internazionale di ricercatori, tra cui astrofisici della Northwestern University, lo 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 della storica esplosione – soprannominata la “Barca” (“la più luminosa mai vista”) – è il collasso e la successiva esplosione di una stella massiccia. Il team ha rilevato l’esplosione, o supernova, utilizzando il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA.

Mentre questa scoperta risolve un mistero, un altro mistero si approfondisce.

I ricercatori hanno ipotizzato che all’interno della supernova appena scoperta potrebbero essere presenti prove di elementi pesanti, come platino e oro. Ma ricerche approfondite non hanno trovato la firma che accompagna questi elementi. L’origine degli elementi pesanti nell’universo rimane una delle più grandi questioni aperte in astronomia.

SLa ricerca è stata pubblicata oggi (12 aprile) nel Journal of Natural Astronomy.

“Quando abbiamo confermato che i GRB sono stati causati dal collasso di una stella massiccia, ci ha dato l'opportunità di testare un'ipotesi su come si sono formati alcuni degli elementi più pesanti nell'universo”, ha detto la Northwestern. Pietro Blanchard, che ha condotto lo studio. “Non abbiamo visto tracce di questi elementi pesanti, il che suggerisce che i lampi di raggi gamma molto energetici come quello della barca non producono questi elementi. Ciò non significa che tutti i lampi di raggi gamma non li producono, ma è un elemento essenziale di informazioni mentre continuiamo a comprenderle.” “Da dove vengono questi elementi pesanti? Le future osservazioni con il telescopio spaziale James Webb determineranno se i cugini 'naturali' della barca producono questi elementi.”

Blanchard è un ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University Centro interdisciplinare di esplorazione e ricerca in astrofisica (CIERA), che studia le supernove ultraluminose e i GRB. Lo studio comprende coautori del Centro di Astrofisica Harvard e Smithsonian; Università dell'Utah; Stato della Pennsylvania; Università della California, Berkeley; Università Radbund nei Paesi Bassi; Istituto di scienza del telescopio spaziale; Università dell'Arizona/Osservatorio Steward; Università della California, Santa Barbara; Università della Columbia; Istituto Flatiron; Università di Greifswald e Università di Guelph.

“Questo evento è particolarmente emozionante perché alcuni hanno ipotizzato che un lampo di raggi gamma brillante come quello di una barca potrebbe produrre molti elementi pesanti come l'oro e il platino”, ha detto il secondo autore Ashley Villar del Centro di Astrofisica dell'Università di Harvard. Harvard e Smithsonian. “Se avessero avuto ragione, la barca avrebbe dovuto essere una miniera d'oro. Sorprendentemente, non abbiamo visto prove di questi elementi pesanti.”

La nascita della barca

Quando la sua luce inondò la Terra il 9 ottobre 2022, la barca era così brillante da saturare la maggior parte dei rilevatori di raggi gamma del mondo. La potente esplosione è avvenuta a circa 2 miliardi di anni luce dalla Terra, in direzione della costellazione del Sagittario, ed è durata poche centinaia di secondi. Mentre gli astronomi si affrettavano ad osservare l'origine di questo fenomeno incredibilmente luminoso, furono immediatamente colpiti da un senso di stupore.

“Finché siamo in grado di rilevare i GRB, non c’è dubbio che i GRB saranno i più luminosi che abbiamo mai visto con un fattore 10 o più”. Wen Fei Fungprofessore associato di fisica e astronomia alla Northwestern University Weinberg College delle Arti e delle Scienze Lo disse allora il membro del CIERA.

“Questo 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 stato un evento che solo la Terra può vedere Una volta ogni 10.000 anni. Siamo fortunati a vivere in un’epoca in cui disponiamo della tecnologia per rilevare queste esplosioni che si verificano in tutto l’universo. “È molto emozionante osservare un fenomeno astronomico raro come la barca e lavorare per comprendere la fisica dietro questo evento straordinario.”

Una supernova “normale”.

Invece di osservare immediatamente l’evento, Blanchard, Villar e il loro team hanno voluto osservare l’esplosione del GRB nelle sue fasi successive. Circa sei mesi dopo la rilevazione iniziale dei GRB, Blanchard e Villar hanno utilizzato il telescopio spaziale James Webb per studiarne gli effetti.

“L’esplosione del GRB è stata così brillante che ha oscurato ogni possibile firma di supernova nelle prime settimane e mesi dopo l’esplosione”, ha detto Blanchard. “In questi momenti, il cosiddetto bagliore del GRB sembrava che i fari di un'auto venissero dritti verso di te, impedendoti di vedere l'auto stessa. Quindi, abbiamo dovuto aspettare finché non si fosse sbiadito in modo significativo per darci la possibilità di vedere la supernova.”

“Siamo stati fortunati che il telescopio spaziale James Webb fosse appena stato lanciato e fosse in grado di fare queste osservazioni”, ha detto Villar. “La Via Lattea si trovava proprio di fronte alla barca e la sua polvere bloccava tutta la luce blu che normalmente vediamo. JWST può scrutare attraverso quella polvere e darci uno sguardo davvero sorprendente nell'infrarosso.”

Il team ha utilizzato la spettroscopia nel vicino infrarosso del telescopio spaziale James Webb per rilevare la firma distintiva di elementi come il calcio e l’ossigeno tipicamente presenti all’interno di una supernova. Sorprendentemente, non era eccezionalmente brillante, come l’incredibile esplosione del GRB che l’ha accompagnata.

“Non è più luminosa delle supernove precedenti”, ha detto Blanchard. “Sembra abbastanza naturale nel contesto di altre supernove associate a GRB meno attivi. Ci si aspetterebbe che la stessa stella collassata che produce un GRB molto attivo e luminoso produca anche una supernova molto attiva e luminosa. Ma si scopre che non è così” Abbiamo queste esplosioni molto luminose, “Ma è una normale supernova”.

Manca: elementi pesanti

Dopo aver confermato – per la prima volta – l'esistenza della supernova, Blanchard e i suoi collaboratori hanno poi 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 di base della produzione degli elementi pesanti, la cattura rapida 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 scoperta dall’Osservatorio Laser Gravitazionale-Wave (LIGO) nel 2017. Ma gli scienziati dicono che ci devono essere altri modi per produrre elementi pesanti. Questi materiali sono sfuggenti. Ci sono semplicemente troppi elementi pesanti nell’universo e troppo poche fusioni di stelle di neutroni.

“Probabilmente c'è 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 lasciarsi alle spalle stelle di neutroni. Dopodiché, potrebbero volerci miliardi e miliardi di anni prima che le due stelle di neutroni si avvicinino lentamente e più vicini tra loro.” “Ci stiamo avvicinando e finalmente ci stiamo fondendo. Ma le osservazioni di stelle molto vecchie suggeriscono che parti dell'universo erano ricche 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 in rapida rotazione, il tipo specifico di stella che ha generato la barca. Utilizzando lo spettro infrarosso ottenuto dal telescopio spaziale James Webb, Blanchard ha studiato gli strati interni della supernova, dove dovrebbero formarsi gli elementi pesanti.

“Il materiale in eruzione della stella era opaco nei primi tempi, quindi si potevano vedere solo gli strati esterni”, ha detto Blanchard. “Ma una volta che si espande e si raffredda, diventa trasparente. E poi 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. “Quindi, osservare lo spettro dell'oggetto può dirci quali elementi sono presenti. Esaminando lo spettro della barca, non abbiamo visto traccia di elementi pesanti, il che indica che eventi estremi come GRB 221009A non sono fonti primarie. Questo è importante informazioni mentre continuiamo a cercare di determinare dove si formano.” Elementi più pesanti.”

Perché così brillante?

Per separare la luce della supernova dalla brillante luce dell'aurora che l'ha preceduta, i ricercatori hanno collegato i dati del telescopio spaziale James Webb con le osservazioni dell'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Cile.

“Anche diversi mesi dopo la rilevazione dell'esplosione, l'aurora era abbastanza luminosa da contribuire con molta luce agli spettri del telescopio spaziale James Webb”, ha detto. Tanmoy Laskar, assistente professore di fisica e astronomia presso l'Università dello Utah e coautore dello studio. “La combinazione dei dati dei due telescopi ci ha aiutato a misurare quanto fosse luminosa l’aurora al momento delle osservazioni del JWST e ci ha permesso di estrarre con attenzione lo spettro della supernova”.

Anche se gli astrofisici devono ancora capire come la supernova “ordinaria” e il GRB da record siano stati prodotti dalla stessa stella collassata, Laskar ha detto che potrebbe essere correlato a… Forma e struttura del relativo velivolo. Quando le stelle massicce ruotano rapidamente, collassano in buchi neri, producendo getti di materiale che escono a velocità prossime a quella della luce. Se questi flussi sono stretti, producono un fascio di luce più focalizzato e più luminoso.

“È come focalizzare il raggio di una torcia su una colonna stretta, piuttosto che su un raggio largo che si estende su un'intera parete”, ha detto Laskar. “In effetti, questo è stato uno dei lampi di raggi gamma più stretti osservati fino ad oggi, il che ci dà un indizio sul motivo per cui l'aurora appare così luminosa. Anche altri fattori potrebbero essere responsabili, il che è una domanda che dovrebbe essere posta.” “I ricercatori studieranno per gli anni a venire.”

Ulteriori prove potrebbero arrivare anche da futuri studi della galassia in cui si trovava la barca. “Oltre allo spettro del composto stesso, abbiamo anche ottenuto uno spettro dalla sua galassia ospite”, ha detto Blanchard. “Lo spettro mostra segni di formazione stellare, suggerendo che l’ambiente di nascita della stella originale potrebbe essere stato diverso dagli eventi precedenti”.

Il membro del team Yijia Li, uno studente laureato della Penn State, ha progettato un bel modello della galassia e ha scoperto che la galassia ospite di BOAT aveva la metallicità più bassa, una misura dell'abbondanza di elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, di tutte le precedenti galassie ospiti del GRB.

“Questo è un altro aspetto unico della barca che può aiutare a spiegare le sue caratteristiche”, ha detto Lee. “L'energia rilasciata nella barca era completamente fuori scala, uno degli eventi più energetici a cui gli esseri umani abbiano mai assistito. Il fatto che sembri essere nato da un gas quasi primordiale può essere un indizio importante per comprenderne le proprietà sovrumane. “

Lo studio, “Scoperta JWST di una supernova associata a GRB 221009A senza firma r-process”, è stato sostenuto dalla NASA (premio n. JWST-GO-2784) e dalla National Science Foundation (premio n. AST-2108676 e AST-2002577 ). . Questo lavoro si basa sulle osservazioni effettuate con il telescopio spaziale James Webb della NASA/ESA/CSA.