Webb’in Ağır Element Yaratılışına İlk Bakış

Webb’in şimdiye kadar görülen en parlak ikinci gama ışını patlamasına ilişkin çalışması tellürü ortaya çıkarıyor.

Evrende birçok kimyasal elementin hangi koşullar altında oluştuğu uzun zamandır gizemini koruyordu. Buna son derece değerli, hatta bildiğimiz şekliyle yaşam için hayati önem taşıyan unsurlar da dahildir.

Astronomlar artık bir cevaba bir adım daha yaklaştılar. James Webb Uzay Teleskobu ve yüksek enerjili bir olay: Şimdiye kadar tespit edilen en parlak ikinci gama ışını patlaması, büyük olasılıkla iki nötron yıldızının birleşmesinden kaynaklanıyor ve bu da kilonova olarak bilinen bir patlamayla sonuçlanıyor. Webb’in muhteşem duyarlılığını kullanan bilim insanları, bir kilonovanın uzayından ilk orta-kızılötesi spektrumu yakaladı; bu, Webb’in böyle bir olayda tek bir ağır elemente ilk doğrudan bakışını işaret ediyordu.

Webb’in NIRCam (Yakın Kızılötesi Kamera) cihazından alınan bu görüntü, GRB 230307A’nın kilonovasını ve onun eski ana galaksisini, diğer galaksilerden ve ön plan yıldızlarından oluşan yerel ortamları arasında öne çıkarıyor. Nötron yıldızları ana galaksilerinden atıldı ve birkaç yüz milyon yıl sonra nihayet birleşmeden önce, yaklaşık 120.000 ışıkyılı, yani yaklaşık olarak Samanyolu galaksisinin çapı kadar bir mesafe kat etti. Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

NASA’dan Webb, Yıldız Birleşmesinden İlk Ağır Element Tespitini Gerçekleştirdi

Bilim insanlarından oluşan bir ekip, birden fazla uzay ve yer tabanlı teleskop kullandı. NASAJames Webb Uzay Teleskobu, NASA’nın Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu ve NASA’nın Neil Gehrels Swift Gözlemevi, olağanüstü derecede parlak bir gama ışını patlamasını (GRB 230307A) gözlemlemek ve nötron yıldızı patlamayı yaratan bir birleşme. Webb ayrıca bilim adamlarının patlamanın ardından kimyasal element tellürünü tespit etmelerine de yardımcı oldu.

Element Bulguları ve Kilonova Açıklaması

Periyodik tablodaki tellürün yakınındaki diğer elementlerin (Dünya üzerindeki yaşamın büyük bir kısmı için gerekli olan iyot gibi) kilonovanın fırlattığı malzeme arasında da bulunması muhtemeldir. Kilonova, bir nötron yıldızının bir nötron yıldızıyla birleşmesi sonucu oluşan bir patlamadır. Kara delik veya başka bir nötron yıldızıyla.

Radboud Üniversitesi’nden Andrew Levan şöyle konuştu: “Dmitri Mendeleev’in elementlerin periyodik tablosunu yazmasının üzerinden 150 yıldan fazla zaman geçti, Webb sayesinde artık her şeyin nerede yapıldığına dair son anlayış boşluklarını doldurmaya başlayacak konumdayız.” Hollanda ve Warwick Üniversitesi Birleşik Krallık’ta, çalışmanın baş yazarı.

Bu grafik sunum, GRB 230307A’nın kilonovasının James Webb Uzay Teleskobu tarafından gözlemlenen spektral verilerini ve bir kilonova modelini karşılaştırmaktadır. Her ikisi de tellür ile ilişkili spektrum bölgesinde, kırmızı renkle gölgelenmiş alanla belirgin bir zirve göstermektedir. Dünyadaki platinden daha nadir bulunan tellürün tespiti, Webb’in bir kilonovadan tek bir ağır elemente ilk doğrudan bakışına işaret ediyor. Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Kilonovaları İncelemenin Zorlukları

Nötron yıldızı birleşmelerinin, demirden önemli ölçüde daha ağır bazı nadir elementleri yaratmak için ideal “düdüklü tencereler” olduğu uzun süredir teorize edilmiş olsa da, gökbilimciler daha önce sağlam kanıt elde etmede birkaç engelle karşılaşmışlardı.

Kilonovalar son derece nadirdir ve bu olayların gözlemlenmesini zorlaştırmaktadır. Geleneksel olarak iki saniyeden kısa sürenler olduğu düşünülen kısa gama ışını patlamaları (GRB’ler), bu nadir birleşme olaylarının yan ürünleri olabilir. (Buna karşılık, uzun gama ışını patlamaları birkaç dakika sürebilir ve genellikle büyük bir yıldızın patlayıcı ölümüyle ilişkilendirilir.)

GRB 230307A’nın durumu özellikle dikkat çekicidir. İlk olarak Mart ayında Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu tarafından tespit edilen bu cisim, 50 yılı aşkın gözlemlerde gözlemlenen en parlak ikinci GRB olup, Fermi’nin gözlemlediği tipik bir gama-ışını patlamasından yaklaşık 1000 kat daha parlaktır. Aynı zamanda 200 saniye sürdü; bu da onu, farklı kökene rağmen, uzun süreli gama ışını patlamaları kategorisine yerleştirdi.

“Bu patlama uzun kategoriye giriyor. Sınıra yakın değil. Ancak birleşen bir nötron yıldızından geliyor gibi görünüyor,” diye ekledi makalenin ortak yazarı ve Louisiana Eyalet Üniversitesi’ndeki Fermi ekibinin üyesi Eric Burns.

GRB 230307A kilonovanın ve nötron yıldızlarının eski ana galaksisinin, Webb’in NIRCam (Yakın Kızılötesi Kamera) tarafından çekilen, pusula okları, ölçek çubuğu ve referans için renk anahtarıyla birlikte bir görüntüsü.
Kuzey ve doğu pusula okları görüntünün gökyüzündeki yönünü gösterir. Gökyüzünde kuzey ve doğu arasındaki ilişkinin (aşağıdan görüldüğü gibi) yer haritasındaki yön oklarına (yukarıdan görüldüğü gibi) göre ters çevrildiğine dikkat edin.
Ölçek çubuğu, gökyüzündeki açısal mesafenin bir ölçüsü olan yay saniyesi cinsinden etiketlenir. Bir yay saniyesi, bir yayın derecesinin 1/3600’üne eşittir. (Dolunay’ın açısal çapı yaklaşık 0,5 derecedir.) Gökyüzünde bir yay saniyesini kaplayan bir nesnenin gerçek boyutu, teleskoptan uzaklığına bağlıdır.
Bu görüntü, görünür ışık renklerine dönüştürülmüş ışığın görünmez yakın kızılötesi dalga boylarını göstermektedir. Renk tuşu, ışığı toplarken hangi NIRCam filtrelerinin kullanıldığını gösterir. Her filtre adının rengi, o filtreden geçen kızılötesi ışığı temsil etmek için kullanılan görünür ışık rengidir.
Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, CSA, STScI, Andrew Levan (IMAPP, Warw)

İşbirlikçi Gözlemler

Yerdeki ve uzaydaki birçok teleskopun işbirliği, bilim adamlarının patlama ilk tespit edilir edilmez bu olayla ilgili zengin bilgileri bir araya getirmesine olanak sağladı. Bu, uyduların ve teleskopların evrendeki değişimlere tanık olmak için nasıl birlikte çalıştıklarının bir örneğidir.

İlk tespitin ardından, Neil Gehrels Swift Gözlemevi de dahil olmak üzere yerden ve uzaydan yapılan yoğun bir dizi gözlem, gökyüzündeki kaynağın yerini belirlemek ve parlaklığının nasıl değiştiğini takip etmek için harekete geçti. Gama ışını, X ışını, optik, kızılötesi ve radyodaki bu gözlemler, optik/kızılötesi karşılığının soluk olduğunu, hızlı bir şekilde evrimleştiğini ve çok kırmızıya dönüştüğünü (bir kilonovanın ayırt edici özellikleri) gösterdi.

İtalya’daki INAF – Brera Astronomik Gözlemevi’ndeki çalışmanın ortak yazarlarından Om Sharan Salafia, “Bu tür bir patlama çok hızlıdır ve patlamadaki malzeme de hızla genişliyor” dedi. “Bulutun tamamı genişledikçe, malzeme hızla soğuyor ve ışığının zirvesi kızılötesinde görünür hale geliyor ve günler veya haftalar süren zaman ölçeklerinde daha kırmızı hale geliyor.”

Webb ile Derinlemesine Gözlemler

Daha sonraki zamanlarda bu kilonovayı yerden incelemek imkansız olurdu, ancak bunlar Webb’in NIRCam (Yakın Kızılötesi Kamera) ve NIRSpec (Yakın Kızılötesi Spektrograf) cihazlarının bu çalkantılı ortamı gözlemlemesi için mükemmel koşullardı. Spektrum, malzemenin yüksek hızlarda fırlatıldığını gösteren geniş çizgilere sahiptir, ancak bir özellik açıktır: Dünyadaki platinden daha nadir bir element olan tellür tarafından yayılan ışık.

Webb’in son derece hassas kızılötesi yetenekleri, bilim adamlarının kilonovayı yaratan iki nötron yıldızının ev adresini belirlemelerine yardımcı oldu: birleşme bölgesinden yaklaşık 120.000 ışıkyılı uzaklıkta bir sarmal galaksi.

Nötron Yıldızlarının Tarihsel Yolculuğu

Girişimlerinden önce, bir zamanlar kendi sarmal galaksilerinde ikili bir sistem oluşturan iki normal büyük yıldızdılar. İkili kütleçekimsel olarak birbirine bağlı olduğundan, her iki yıldız da iki ayrı olayda birlikte fırlatıldı: Çiftlerden biri süpernova olarak patlayıp bir nötron yıldızına dönüştüğünde ve diğer yıldız da aynı şeyi yaptığında.

Bu durumda nötron yıldızları, iki patlayıcı sarsıntıya rağmen ikili sistem olarak kaldılar ve ana galaksilerinden atıldılar. Çift yaklaşık olarak eşdeğer seyahat etti Samanyolu birkaç yüz milyon yıl sonra birleşmeden önce galaksinin çapı.

İleriye bakmak

Bilim insanları, evrendeki değişiklikleri incelemek için uzay ve yer tabanlı teleskopların birbirini tamamlayıcı yollarla çalışmasına yönelik fırsatların artması nedeniyle gelecekte daha da fazla kilonova bulmayı bekliyor. Örneğin, Webb uzayın her zamankinden daha derinlerine bakabilirken, NASA’nın yakında çıkacak olan Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu’nun olağanüstü görüş alanı, gökbilimcilerin bu patlamaların nerede ve ne sıklıkta meydana geldiğini keşfetmesine olanak tanıyacak.

Araştırmanın ortak yazarlarından Ben Gompertz, “Webb olağanüstü bir destek sağlıyor ve daha da ağır elementler bulabilir” dedi. Birmingham Üniversitesi İngiltere’de. “Daha sık gözlemler elde ettikçe modeller gelişecek ve spektrum zamanla daha fazla gelişebilecek. Webb kesinlikle çok daha fazlasını yapmak için kapıyı açtı ve yetenekleri evreni anlamamız açısından tamamen dönüştürücü olacak.”

Bu bulgular dergide yayınlandı Doğa.

Referans: Andrew Levan, Benjamin P. Gompertz, Om Sharan Salafia, Mattia Bulla, Eric Burns, Kenta Hotokezaka, Luca Izzo, Gavin P. Lamb, Daniele B. Malesani, “JWST tarafından gözlemlenen kompakt nesne birleşmesinde ağır element üretimi”, Samantha R. Oates, Maria Edvige Ravasio, Alicia Rouco Escorial, Benjamin Schneider, Nikhil Sarin, Steve Schulze, Nial R. Tanvir, Kendall Ackley, Gemma Anderson, Gabriel B. Brammer, Lise Christensen, Vikram S. Dhillon, Phil A. Evans , Michael Fausnaugh, Wen-fai Fong, Andrew S. Fruchter, Chris Fryer, Johan PU Fynbo, Nicola Gaspari, Kasper E. Heintz, Jens Hjorth, Jamie A. Kennea, Mark R. Kennedy, Tanmoy Laskar, Giorgos Leloudas, Ilya Mandel , Antonio Martin-Carrillo, Brian D. Metzger, Matt Nicholl, Anya Nugent, Jesse T. Palmerio, Giovanna Pugliese, Jillian Rastinejad, Lauren Rhodes, Andrea Rossi, Andrea Saccardi, Stephen J. Smartt, Heloise F. Stevance, Aaron Tohuvavohu, Alexander van der Horst, Susanna D. Vergani, Darach Watson, Thomas Barclay, Kornpob Bhirombhakdi, Elmé Breedt, Alice A. Breeveld, Alexander J. Brown, Sergio Campana, Ashley A. Chrimes, Paolo D’Avanzo, Valerio D’Elia, Massimiliano De Pasquale, Martin J. Dyer, Duncan K. Galloway, James A. Garbutt, Matthew J. Green, Dieter H. Hartmann, Páll Jakobsson, Paul Kerry, Chryssa Kouveliotou, Danial Langeroodi, Emeric Le Floc’h, James K. Leung, Stuart P. Littlefair, James Munday, Paul O’Brien, Steven G. Parsons, Ingrid Pelisoli, David I. Sahman, Ruben Salvaterra, Boris Sbarufatti, Danny Steeghs, Gianpiero Tagliaferri, Christina C. Thöne, Antonio de Ugarte Postigo ve David Alexander Kann, 25 Ekim 2023, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-023-06759-1

James Webb Uzay Teleskobu dünyanın önde gelen uzay bilimi gözlemevidir. Webb, güneş sistemimizdeki gizemleri çözüyor, diğer yıldızların etrafındaki uzak dünyalara bakıyor ve evrenimizin gizemli yapılarını ve kökenlerini ve onun içindeki yerimizi araştırıyor. Webb, NASA’nın ortakları ESA ile birlikte yürüttüğü uluslararası bir programdır (Avrupa Uzay Ajansı) ve Kanada Uzay Ajansı.