Sürpriz Kilonova Keşfi Uzun Gama Işın Patlaması Teorisini Sarstı

Uzun Gama Işını Patlamaları, Nötron Yıldızı Birleşmeleri Tarafından Oluşturulabilir

Yaklaşık yirmi yıldır astrofizikçiler, uzun gama ışını patlamalarının (GRB’ler) yalnızca büyük kütleli yıldızların çökmesinden kaynaklandığına inanıyorlar. Şimdi, yeni bir çalışma, köklü ve uzun süredir kabul edilen bu inancı alt üst ediyor.

Liderliğinde kuzeybatı Üniversitesiastrofizikçilerden oluşan bir ekip, en azından bazı uzun GRB’lerin neden olabileceğine dair yeni kanıtlar ortaya çıkardı. nötron yıldızı daha önce yalnızca kısa GRB’ler ürettiğine inanılan birleşmeler.

Ekip, Aralık 2021’de 50 saniye uzunluğundaki bir GRB’yi tespit ettikten sonra, uzun GRB’nin son parlamasını, genellikle bir süpernovadan önce gelen, inanılmaz derecede parlak ve hızla solan bir ışık patlaması aramaya başladı. Ancak bunun yerine, yalnızca bir nötron yıldızının başka bir kompakt nesneyle (başka bir nötron yıldızı veya bir Kara delik).

Yeni keşif, GRB’lerin ne kadar süre oluştuğuna dair köklü inançlara meydan okumanın yanı sıra, evrendeki en ağır elementlerin gizemli oluşumuna dair yeni içgörülere de yol açıyor.

Araştırma 7 Aralık’ta dergide yayınlandı Doğa.

Çalışmayı yöneten Northwestern’den Jillian Rastinejad, “Bu olay, uzun bir gama ışını patlamasından daha önce gördüğümüz hiçbir şeye benzemiyor” dedi. “Gama ışınları, büyük kütleli yıldızların çökmesiyle oluşan patlamalara benziyor. Gözlemlediğimiz diğer tüm doğrulanmış nötron yıldızı birleşmelerine iki saniyeden daha kısa süren patlamaların eşlik ettiği göz önüne alındığında, bu 50 saniyelik GRB’nin devasa bir yıldızın çökmesi tarafından yaratıldığını beklemek için her türlü nedenimiz vardı. Bu olay, gama ışını patlaması astronomisi için heyecan verici bir paradigma değişimini temsil ediyor.”

Çalışmanın kıdemli yazarlarından Northwestern’den Wen-fai Fong, “Bu uzun gama ışını patlamasını takip ettiğimizde, bunun büyük bir yıldız çöküşüne yol açacağını umduk” dedi. “Bunun yerine, bulduğumuz şey çok farklıydı. 15 yıl önce alana girdiğimde, uzun gama ışını patlamalarının büyük kütleli yıldız çöküşlerinden geldiği kesindi. Bu beklenmedik bulgu, yalnızca anlayışımızda büyük bir değişikliği temsil etmekle kalmıyor, aynı zamanda keşif için heyecan verici bir şekilde yeni bir pencere açıyor.”

Fong, Northwestern’deki Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde fizik ve astronomi alanında yardımcı doçent ve Astrofizikte Disiplinlerarası Keşif ve Araştırma Merkezi’nin (CIERA) önemli bir üyesidir. Rastinejad, bir Ph.D. astronomi öğrencisi ve Fong’un araştırma grubunun bir üyesi, makalenin ilk yazarıdır.

Uzun bölüm

beri en parlak ve en enerjik patlamalar Büyük patlama, GRB’ler iki sınıfa ayrılır. Süreleri iki saniyeden kısa olan GRB’ler, kısa GRB’ler olarak kabul edilir. Bir GRB iki saniyeden uzunsa, uzun bir GRB olarak kabul edilir. Araştırmacılar daha önce, bölme çizgisinin her iki tarafındaki GRB’lerin farklı kökenlere sahip olması gerektiğine inanıyorlardı.

Aralık 2021’de Neil Gehrels Swift Gözlemevi’nin Burst Alert Telescope ve Fermi Gama-ray Uzay Teleskobu, GRB211211A adlı parlak bir gama ışını ışığı patlaması tespit etti. 50 saniyeden biraz daha uzun olan GRB211211A, başlangıçta özel bir şey gibi görünmüyordu. Ancak, ister inanın ister inanmayın, Dünya’ya nispeten yakın olan yaklaşık 1,1 milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunan astrofizikçiler, elektromanyetik spektrum boyunca gözlem yapabilen çok sayıda teleskop kullanarak bu “yakındaki” olayı ayrıntılı olarak incelemeye karar verdiler.

“Orası bulutluydu, ancak teleskop operatörleri bu patlamanın ne kadar önemli olduğunu biliyorlardı ve görüntülerimizi çekmek için bulutların arasında bir boşluk buldular.”

— Jillian Rastinejad, Ph.D. astronomi adayı

Olayı yakın kızılötesi dalga boylarıyla görüntülemek için ekip, hemen Hawaii’deki Gemini Gözlemevi ile görüntülemeye başladı. İkizler ile iki gün gözlem yaptıktan sonra Rastinejad, onun net bir görüş elde edemeyeceğinden endişelendi.

“Hawaii’de hava kötüleşiyordu ve çok hayal kırıklığına uğradık çünkü bu patlamanın daha önce gördüğümüz hiçbir şeye benzemediğine dair ipuçlarını ortaya çıkarmaya başlıyorduk” dedi. “Neyse ki, Northwestern bize Arizona’daki MMT Gözlemevi’ne uzaktan erişim sağlıyor ve ertesi gün o teleskopa ideal bir alet yerleştiriliyordu. Orası bulutluydu ama teleskop operatörleri bu patlamanın ne kadar önemli olduğunu biliyorlardı ve görüntülerimizi çekmek için bulutların arasında bir boşluk buldular. Bu görüntüleri gerçek zamanlı olarak elde etmek stresli ama çok heyecan vericiydi.”

‘Bir kilonovanın anlatı işareti’

Ekip, yakın kızılötesi görüntüleri inceledikten sonra, hızla solup giden, inanılmaz derecede soluk bir nesne gördü. Süpernovalar o kadar hızlı solmaz ve çok daha parlaktır, bu nedenle ekip, daha önce imkansız olduğuna inanılan beklenmedik bir şey bulduğunu fark etti.

Fong, “Gece gökyüzünde hızla solan birçok nesne var” dedi. “Kaynağın kimliğini belirlememize yardımcı olan renk bilgilerini elde etmek için bir kaynağı farklı filtrelerde görüntülüyoruz. Bu durumda, kırmızı renk hakim oldu ve daha mavi renkler daha çabuk soldu. Bu renk evrimi, bir kilonovanın belirgin bir imzasıdır ve kilonovalar yalnızca nötron yıldızlarının birleşmesinden gelebilir.”

Nötron yıldızları temiz, kompakt nesneler olduğundan, araştırmacılar daha önce nötron yıldızlarının uzun süreli bir GRB’ye güç sağlamak için yeterli malzeme içermediğine inanıyorlardı. Öte yandan, büyük yıldızlar güneşimizin kütlesinin onlarca ila yüzlerce katı olabilir. Ölmekte olan yıldız çökerken, malzemesi yeni oluşan bir kara deliği beslemek için içe doğru düşer. Ancak, kara deliğin manyetik alanları sayesinde, içeri doğru düşen malzemenin bir kısmı, ışık hızına yakın hızlarda dışarı doğru fırlıyor – bir GRB’ye güç veriyor.

Fong, “İki nötron yıldızını bir araya getirdiğinizde, orada gerçekten fazla bir kütle yok,” diye açıkladı. “Biraz kütle birikir ve ardından çok kısa süreli bir patlamaya güç verir. Geleneksel olarak daha uzun gama ışını patlamalarına güç veren büyük yıldız çökmeleri durumunda, daha uzun bir beslenme süresi vardır.”

Aramayı değiştirme

Çalışmanın tek tuhaf yanı olay değildi. GRB’nin ev sahibi galaksisi de oldukça meraklıdır. SDSS J140910.47+275320.8 olarak adlandırılan ev sahibi gökada genç ve yıldız oluşturuyor; bir nötron yıldızı birleşmesi olayının bilinen diğer yerel evren ev sahibi GW170817’nin ev sahibi gökadası NGC4993’ün neredeyse tam tersi. Ev sahibi galaksiyi analiz etmek için ekip, Northwestern’in özel uzaktan erişime sahip olduğu WM Keck Gözlemevi’nden gelen verileri kullandı.

Kuzeybatı Doktorası Anya Nugent, “GW170817’nin ve onun devasa, kırmızı ve ölü bir ana gökadayla ilişkisinin saptanmasından sonra, birçok gökbilimci, yakın evrendeki nötron yıldızı birleşmelerinin ana bilgisayarlarının NGC4993’e benzeyeceğini varsaydı” dedi. . astronomi öğrencisi ve ortak yazar çalışma. “Fakat bu galaksi oldukça genç, aktif olarak yıldız oluşturuyor ve aslında o kadar büyük değil. Aslında, evrenin derinliklerinde görülen kısa GRB konakçılarına daha çok benziyor. Bence bu, yakınlardaki kilonovaları ararken izlememiz gereken galaksi türleri hakkındaki görüşümüzü değiştiriyor.”

Ayrıca astrofizikçilerin platin ve altın gibi ağır elementleri aramaya nasıl yaklaşabileceklerini de değiştiriyor. Araştırmacılar, helyum, silikon ve karbon gibi daha hafif elementler üreten astronomik fabrikaları inceleyebilmelerine rağmen, astrofizikçiler süpernova patlamalarının ve nötron yıldızı birleşmelerinin en ağır elementleri ürettiğini öne sürüyorlar. Bununla birlikte, yaratılışlarının açık imzaları nadiren gözlenir.

Rastinejad, “Kilonovalar, evrendeki en ağır elementlerden bazılarının radyoaktif bozunmasıyla güçleniyor” dedi. “Fakat kilonovaları gözlemlemek çok zor ve çok çabuk sönüyor. Artık, daha fazla kilonova aramak için bazı uzun gama ışını patlamalarını da kullanabileceğimizi biliyoruz.”

Şimdi ki James Webb Uzay Teleskobu (JWST) çalışıyor, astrofizikçiler kilonovalar içinde daha fazla ipucu arayabilecekler. JWST, astronomik nesnelerin görüntülerini ve spektrumlarını yakalayabildiğinden, nesneden yayılan belirli öğeleri algılayabilir. Astrofizikçiler Webb’i kullanarak nihayet ağır elementlerin oluşumuna dair doğrudan gözlemsel kanıtlar elde edebilirler.

Rastinejad, “Maalesef, yer tabanlı en iyi teleskoplar bile spektroskopi yapacak kadar hassas değil” dedi. “JWST ile bir kilonova spektrumu elde edebilirdik. Bu spektral çizgiler, en ağır elementleri tespit ettiğinize dair doğrudan kanıt sağlıyor.”

Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için, Devasa Patlama Gama Işın Patlamalarını Anlayışımızı Zorluyor başlıklı makaleyi okuyun.

Referans: Jillian C. Rastinejad, Benjamin P. Gompertz, Andrew J. Levan, Wen-fai Fong, Matt Nicholl, Gavin P. Lamb, Daniele B. Malesani, Anya E. Nugent, Samantha R. Oates, Nial R. Tanvir, Antonio de Ugarte Postigo, Charles D. Kilpatrick, Christopher J. Moore, Brian D. Metzger, Maria Edvige Ravasio, Andrea Rossi, Genevieve Schroeder, Jacob Jencson, David J. Sand, Nathan Smith, José Feliciano Agüí Fernández, Edo Berger, Peter K. Blanchard, Ryan Chornock, Bethany E. Cobb, Massimiliano De Pasquale, Johan PU Fynbo, Luca Izzo, D. Alexander Kann, Tanmoy Laskar, Ester Marini , Kerry Paterson, Alicia Rouco Escorial, Huei M. Sears ve Christina C. Thöne, 7 Aralık 2022, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-022-05390-w

Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (AST-1814782, AST-1909358 ve AST-2047919 hibe numaraları), David ve Lucile Packard Vakfı, Avrupa Araştırma Konseyi tarafından desteklenmiştir. NASAAlfred P. Sloan Vakfı ve Bilimsel İlerleme Araştırma Şirketi.