התפרצות קרינת הגמא הבהירה ביותר בכל הזמנים מאתגרת תיאוריות היווצרות אלמנטים

תצפיות טלסקופ החלל ג'יימס ווב לא מראות שום סימן ליסודות כבדים.

באוקטובר 2022, צוות בינלאומי של חוקרים, כולל האוניברסיטה הצפון מערבית אסטרופיזיקאים, צפו בהתפרצות קרני הגמא (GRB) הבהירה ביותר שתועדה אי פעם, GRB 221009A.

כעת, צוות בראשות צפון-מערב אישר כי התופעה האחראית לפרץ ההיסטורי – המכונה BOAT ("הבהירה בכל הזמנים") – היא התמוטטות והפיצוץ שלאחר מכן של כוכב ענק. הצוות גילה את הפיצוץ, או הסופרנובה, באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) של נאס"א.

בעוד שגילוי זה פותר תעלומה אחת, תעלומה אחרת מעמיקה.

החוקרים שיערו שעדויות ליסודות כבדים, כמו פלטינה וזהב, עשויות להיות בתוך הסופרנובה שזה עתה נחשפה. אולם החיפוש הנרחב לא מצא את החתימה המלווה אלמנטים כאלה. מקורם של יסודות כבדים ביקום ממשיך להישאר כאחת השאלות הפתוחות הגדולות ביותר של האסטרונומיה.

המחקר פורסם ב-12 באפריל בכתב העת אסטרונומיה של הטבע.

"כאשר אישרנו שה-GRB נוצר כתוצאה מהתמוטטות של כוכב מסיבי, זה נתן לנו את ההזדמנות לבדוק השערה כיצד נוצרים כמה מהיסודות הכבדים ביותר ביקום", אמר פיטר בלנשרד של נורת'ווסטרן, שהוביל את המחקר. "לא ראינו חתימות של האלמנטים הכבדים האלה, מה שמצביע על כך ש-GRBs אנרגטיים במיוחד כמו BOAT לא מייצרים את האלמנטים האלה. זה לא אומר שכל ה-GRBs לא מייצרים אותם, אבל זה פיסת מידע מפתח כשאנחנו ממשיכים להבין מאיפה מגיעים האלמנטים הכבדים האלה. תצפיות עתידיות עם JWST יקבעו אם בני הדודים ה'נורמליים' של הסירה מייצרים את היסודות האלה."

בלנצ'רד הוא עמית פוסט-דוקטורט במרכז נורת'ווסטרן לחקר ומחקר בין-תחומי באסטרופיזיקה (CIERA), שם הוא חוקר סופרנובות זוהרות ו-GRBs. המחקר כולל מחברים שותפים מהמרכז לאסטרופיזיקה | הרווארד וסמית'סוניאן; אוניברסיטת יוטה; פן סטייט; אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי; אוניברסיטת Radbound בהולנד; המכון למדע טלסקופ החלל; אוניברסיטת אריזונה/מצפה הכוכבים; אוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה; אוניברסיטת קולומביה; מכון פלטירון; אוניברסיטת גריפסוואלד ואוניברסיטת גואלף.

"האירוע הזה מרגש במיוחד מכיוון שחלקם שיערו שפרץ קרני גמא זוהר כמו BOAT יכול ליצור הרבה אלמנטים כבדים כמו זהב ופלטינה", אמרה המחברת השנייה אשלי וילאר מאוניברסיטת הרווארד והמרכז לאסטרופיזיקה | הרווארד וסמית'סוניאן. "אם הם היו נכונים, הסירה הייתה צריכה להיות מכרה זהב. זה באמת בולט שלא ראינו שום עדות לגורמים הכבדים האלה".

הולדת הסירה

כאשר האור שלה שטף את כדור הארץ ב-9 באוקטובר 2022, הסירה הייתה כה בהירה שהיא הרווה את רוב גלאי קרני הגמא בעולם. הפיצוץ העוצמתי התרחש במרחק של כ-2 מיליארד שנות אור מכדור הארץ, בכיוון קבוצת הכוכבים Sagitta ונמשך כמה מאות שניות. כאשר אסטרונומים נרתעו כדי לבחון את מקורה של התופעה הבהירה להפליא הזו, הם נפגעו מיד בתחושת יראה.

"כל עוד הצלחנו לזהות GRBs, אין ספק שה-GRB הזה הוא הבהיר ביותר שראינו אי פעם לפי פקטור של 10 או יותר", וון-פאי פונג, פרופסור חבר לפיזיקה ואסטרונומיה ב-Northwestern's Weinberg המכללה לאמנויות ומדעים וחבר ב-CIERA, אמר בזמנו.

"האירוע הניב כמה מהפוטונים בעלי האנרגיה הגבוהה ביותר שתועדו אי פעם על ידי לוויינים שנועדו לזהות קרני גמא", אמר בלנשרד. "זה היה אירוע שכדור הארץ רואה רק פעם ב-10,000 שנים. יש לנו מזל לחיות בתקופה שבה יש לנו את הטכנולוגיה לזהות את ההתפרצויות הללו המתרחשות ברחבי היקום. זה כל כך מרגש לצפות בתופעה אסטרונומית נדירה כמו ה-BOAT ולעבוד כדי להבין את הפיזיקה מאחורי האירוע החריג הזה".

סופרנובה 'רגילה'

במקום לצפות באירוע באופן מיידי, בלנשרד, וילאר והצוות שלהם רצו לצפות ב-GRB בשלבים המאוחרים שלו. כשישה חודשים לאחר שה-GRB זוהה לראשונה, בלנצ'רד וויאר השתמשו ב-JWST כדי לבחון את תוצאותיו.

"ה-GRB היה כל כך בהיר שהוא הסתיר כל חתימת סופרנובה פוטנציאלית בשבועות ובחודשים הראשונים שלאחר ההתפרצות", אמר בלנשרד. "בזמנים אלה, מה שנקרא אפטר זוהר של ה-GRB היה כמו פנסים של מכונית שמגיעה ישר אליך, ומונעת ממך לראות את המכונית עצמה. אז, היינו צריכים לחכות שהוא יתפוגג בצורה משמעותית כדי לתת לנו סיכוי לראות את הסופרנובה."

"היה לנו מזל ש-JWST רק הושק ויכולנו לבצע את התצפיות הללו", אמר וילאר. "ה שביל החלב במקרה ישב מול הסירה, והאבק שלה חסם את כל האור הכחול שהיינו רואים בדרך כלל. JWST יכול להציץ ישר דרך האבק הזה ולתת לנו מראה מדהים באמת באינפרא אדום."

הצוות השתמש בספקטרוגרף אינפרא אדום קרוב של JWST כדי לגלות את החתימה האופיינית של יסודות כמו סידן וחמצן שנמצאים בדרך כלל בתוך סופרנובה. באופן מפתיע, הוא לא היה בהיר במיוחד – כמו ה-GRB הבהיר להפליא שהוא ליווה.

"זה לא בהיר יותר מסופרנובות קודמות," אמר בלנשרד. "זה נראה נורמלי למדי בהקשר של סופרנובות אחרות הקשורות ל-GRBs פחות אנרגטי. אפשר לצפות שאותו כוכב מתמוטט המייצר GRB מאוד אנרגטי ובהיר יפיק גם סופרנובה אנרגטית ובהירה מאוד. אבל מסתבר שזה לא המצב. יש לנו GRB ​​זוהר במיוחד, אבל סופרנובה רגילה."

חסרים: Heavy Elements

לאחר שאישרו – בפעם הראשונה – את נוכחותה של הסופרנובה, בלנצ'רד ומשתפי הפעולה שלו חיפשו ראיות לאלמנטים כבדים בתוכה. נכון לעכשיו, לאסטרופיזיקאים יש תמונה לא מלאה של כל המנגנונים ביקום שיכולים לייצר יסודות כבדים יותר מברזל.

המנגנון העיקרי לייצור יסודות כבדים, תהליך לכידת נויטרונים מהיר, דורש ריכוז גבוה של נויטרונים. עד כה, אסטרופיזיקאים אישרו רק ייצור של יסודות כבדים באמצעות תהליך זה במיזוג של שני כוכבי נויטרונים, התנגשות שזוהתה על ידי מצפה הכבידה-גלי הלייזר אינטרפרומטר (LIGO) בשנת 2017. אבל מדענים אומרים שחייבות להיות דרכים אחרות לייצר את החומרים החמקמקים האלה. פשוט יש יותר מדי יסודות כבדים ביקום ומעט מדי מיזוגים של כוכבי נויטרונים.

"סביר להניח שיש מקור אחר", אמר בלנשרד. "לוקח הרבה מאוד זמן עד שכוכבי נויטרונים בינאריים מתמזגים. שני כוכבים במערכת בינארית צריכים תחילה להתפוצץ כדי להשאיר מאחור כוכבי נויטרונים. לאחר מכן, יכולים לקחת מיליארדי ומיליארדי שנים עד ששני כוכבי הנייטרונים יתקרבו לאט לאט ולבסוף יתמזגו. אבל תצפיות על כוכבים ישנים מאוד מצביעות על כך שחלקים מהיקום הועשרו במתכות כבדות לפני שרוב כוכבי הנייטרונים הבינארים הספיקו להתמזג. זה מפנה אותנו לערוץ חלופי".

"יש לנו מזל לחיות בתקופה שבה יש לנו את הטכנולוגיה לזהות את ההתפרצויות הללו המתרחשות ברחבי היקום."
— פיטר בלנשרד, עמית פוסט-דוקטורט של CIERA

אסטרופיזיקאים שיערו שאלמנטים כבדים עשויים להיווצר גם על ידי קריסת כוכב מסתובב במהירות – הסוג המדויק של הכוכב שיצר את ה-BOAT באמצעות ספקטרום האינפרא אדום שהתקבל על ידי ה-JWST, בלנשרד חקר את השכבות הפנימיות של הסופרנובה, שם צריך להיווצר אלמנטים כבדים.

"החומר המפוצץ של הכוכב אטום בזמנים מוקדמים, כך שניתן לראות רק את השכבות החיצוניות", אמר בלנשרד. "אבל ברגע שהוא מתרחב ומתקרר, הוא הופך שקוף. אז אתה יכול לראות את הפוטונים מגיעים מהשכבה הפנימית של הסופרנובה."

"יתרה מכך, יסודות שונים סופגים ופולטים פוטונים באורכי גל שונים, בהתאם למבנה האטומי שלהם, מה שמעניק לכל יסוד חתימה ספקטרלית ייחודית", הסביר בלנשרד. "לכן, התבוננות בספקטרום של אובייקט יכולה לומר לנו אילו אלמנטים קיימים. לאחר בחינת הספקטרום של הסירה, לא ראינו שום חתימה של אלמנטים כבדים, מה שמרמז על אירועים קיצוניים כמו GRB ​​221009A אינם מקורות ראשוניים. זהו מידע חיוני כאשר אנו ממשיכים לנסות לקבוע היכן נוצרים האלמנטים הכבדים ביותר".

למה כל כך בהיר?

כדי להפריד את האור של הסופרנובה מזה של הזוהר הבהיר שבא לפניה, החוקרים שילבו את נתוני ה-JWST עם תצפיות ממערך Atacama Large Millimeter/Submillimeter (אלמא) בצ'ילה.

"אפילו מספר חודשים לאחר גילוי ההתפרצות, הזוהר האחורי היה בהיר מספיק כדי לתרום הרבה אור בספקטרום ה-JWST", אמר טנמוי לסקר, עוזר פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת יוטה ומחבר שותף בנושא לימוד. "שילוב הנתונים משני הטלסקופים עזר לנו למדוד בדיוק כמה בהיר היה הזוהר לאחר תצפיות ה-JWST שלנו ולאפשר לנו לחלץ בזהירות את הספקטרום של הסופרנובה".

למרות שאסטרופיזיקאים עדיין לא חשפו כיצד סופרנובה "רגילה" ו-GRB שובר שיאים הופקו על ידי אותו כוכב שהתמוטט, לסקר אמר שזה עשוי להיות קשור לצורה ולמבנה של הסילונים הרלטיביסטיים. כאשר מסתובבים במהירות, כוכבים מסיביים קורסים לחורים שחורים, הם מייצרים סילוני חומר המשגרים בקצבים קרובים למהירות האור. אם הסילונים האלה צרים, הם מייצרים אלומת אור ממוקדת יותר – ובהירה יותר.

"זה כמו מיקוד אלומת פנס לתוך עמוד צר, לעומת אלומה רחבה שנשטפת על פני קיר שלם," אמר לסקר. "למעשה, זה היה אחד הסילונים הצרים ביותר שנראו בהתפרצות של קרני גמא עד כה, מה שנותן לנו רמז מדוע הזוהר האחורי נראה בהיר כמוהו. יכול להיות שיש גם גורמים אחרים האחראים, שאלה שחוקרים יחקרו במשך שנים רבות".

רמזים נוספים עשויים לבוא גם ממחקרים עתידיים על הגלקסיה שבה התרחשה הסירה. "בנוסף לספקטרום של הסירה עצמה, השגנו גם ספקטרום של הגלקסיה ה'מארחת' שלה", אמר בלנשרד. "הספקטרום מראה סימנים של היווצרות כוכבים, מה שרומז שסביבת הלידה של הכוכב המקורי עשויה להיות שונה מאירועים קודמים."

חבר הצוות Yijia Li, סטודנט לתואר שני בפן סטייט, עיצב את הספקטרום של הגלקסיה, ומצא שלגלקסיה המארחת של BOAT יש את המתכתיות הנמוכה ביותר, מדד לשפע היסודות הכבדים יותר ממימן והליום, מכל הגלקסיות המארחות של GRB הקודמות.

"זהו עוד היבט ייחודי של ה-BOAT שעשוי לעזור להסביר את תכונותיו", אמר לי. "האנרגיה ששוחררה ב-BOAT הייתה לגמרי מחוץ לתרשימים, אחד האירועים האנרגטיים ביותר שבני אדם ראו אי פעם. העובדה שנראה שהוא גם נולד מתוך גז כמעט ראשוני עשויה להיות רמז חשוב להבנת תכונותיו המופלאות".

המחקר, "זיהוי JWST של סופרנובה הקשורה ל-GRB 221009A ללא חתימת r-process", נתמך על ידי נאס"א (מספר הפרס JWST-GO-2784) והקרן הלאומית למדע (מספרי הפרס AST-2108676 ו-AST-2002577). עבודה זו מבוססת על תצפיות שנעשו עם NASA/ESA/CSA טלסקופ החלל ג'יימס ווב.