En octubre de 2022, un equipo internacional de investigadores, incluidos astrofísicos de la Universidad Northwestern, observó el estallido de rayos gamma (GRB) más brillante jamás registrado, GRB 221009A.
Ahora, un equipo liderado por Northwestern ha confirmado que el fenómeno responsable del estallido histórico, denominado BOAT («el más brillante de todos los tiempos»), es el colapso y posterior explosión de una estrella masiva. El equipo descubrió la explosión, o supernova, utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA.
Si bien este descubrimiento resuelve un misterio, otro misterio se profundiza.
Los investigadores especularon que dentro de la supernova recién descubierta podría haber evidencia de elementos pesados, como platino y oro. La extensa búsqueda, sin embargo, no encontró la firma que acompaña a tales elementos. El origen de los elementos pesados en el universo sigue siendo una de las mayores cuestiones abiertas de la astronomía.
La investigación se publicará el viernes (12 de abril) en la revista. Naturaleza Astronomía.
«Cuando confirmamos que el GRB fue generado por el colapso de una estrella masiva, eso nos dio la oportunidad de probar una hipótesis sobre cómo se forman algunos de los elementos más pesados del universo», dijo Peter Blanchard de Northwestern, quien dirigió el estudio. «No vimos firmas de estos elementos pesados, lo que sugiere que los GRB extremadamente energéticos como el BOAT no producen estos elementos. Eso no significa que todos los GRB no los produzcan, pero es una pieza de información clave a medida que continuamos entendiendo de dónde provienen estos elementos pesados. Las observaciones futuras con JWST determinarán si los primos ‘normales’ del BOAT producen estos elementos».
Blanchard es becario postdoctoral en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de Northwestern, donde estudia supernovas superluminosas y GRB. El estudio incluye coautores del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian; Universidad de Utah; Estado de Pensilvania; Universidad de California, Berkeley; Universidad Radbound en los Países Bajos; Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial; Universidad de Arizona/Observatorio Steward; Universidad de California, Santa Bárbara; Universidad de Colombia; Instituto Flatiron; Universidad de Greifswald y Universidad de Guelph.
Nacimiento del BARCO
Cuando su luz cubrió la Tierra el 9 de octubre de 2022, el BOAT era tan brillante que saturó la mayoría de los detectores de rayos gamma del mundo. La potente explosión se produjo a unos 2.400 millones de años luz de la Tierra, en dirección a la constelación de Sagitario, y duró unos cientos de segundos. Mientras los astrónomos se apresuraban a observar el origen de este fenómeno increíblemente brillante, inmediatamente se sintieron asombrados.
«Mientras hayamos podido detectar GRB, no hay duda de que este GRB es el más brillante que jamás hayamos presenciado por un factor de 10 o más», dijo Wen-fai Fong, profesor asociado de física y astronomía en Weinberg de Northwestern. Facultad de Artes y Ciencias y miembro de CIERA, dijo en su momento.
«El evento produjo algunos de los fotones de mayor energía jamás registrados por satélites diseñados para detectar rayos gamma», dijo Blanchard. «Este fue un evento que la Tierra ve sólo una vez cada 10.000 años. Tenemos la suerte de vivir en una época en la que tenemos la tecnología para detectar estas explosiones que ocurren en todo el universo. Es muy emocionante observar un fenómeno astronómico tan raro como el BOAT y Trabajar para comprender la física detrás de este evento excepcional».
Una supernova ‘normal’
En lugar de observar el evento de inmediato, Blanchard, su cercana colaboradora Ashley Villar de la Universidad de Harvard y su equipo querían ver el GRB durante sus fases posteriores. Aproximadamente seis meses después de que se detectara inicialmente el GRB, Blanchard utilizó el JWST para examinar sus consecuencias.
«El GRB era tan brillante que oscureció cualquier firma potencial de supernova en las primeras semanas y meses después de la explosión», dijo Blanchard. «En esos momentos, el llamado resplandor del GRB era como los faros de un automóvil que se acercan directamente a ti, impidiendo que veas el automóvil en sí. Por lo tanto, tuvimos que esperar a que se desvaneciera significativamente para darnos la oportunidad de viendo la supernova.»
Blanchard utilizó el espectrógrafo de infrarrojo cercano del JWST para observar la luz del objeto en longitudes de onda infrarrojas. Fue entonces cuando vio la firma característica de elementos como el calcio y el oxígeno que normalmente se encuentran dentro de una supernova. Sorprendentemente, no era excepcionalmente brillante, como el GRB increíblemente brillante que lo acompañaba.
«No es más brillante que las supernovas anteriores», dijo Blanchard. «Parece bastante normal en el contexto de otras supernovas asociadas con GRB menos energéticos. Se podría esperar que la misma estrella en colapso que produce un GRB muy energético y brillante también produzca una supernova muy energética y brillante. Pero resulta que ese no es el caso. «Tenemos este GRB extremadamente luminoso, pero una supernova normal».
Faltan: elementos pesados
Después de confirmar, por primera vez, la presencia de la supernova, Blanchard y sus colaboradores buscaron evidencia de elementos pesados en su interior. Actualmente, los astrofísicos tienen una imagen incompleta de todos los mecanismos del universo que pueden producir elementos más pesados que el hierro.
El mecanismo principal para producir elementos pesados, el rápido proceso de captura de neutrones, requiere una alta concentración de neutrones. Hasta ahora, los astrofísicos solo han confirmado la producción de elementos pesados a través de este proceso en la fusión de dos estrellas de neutrones, una colisión detectada por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) en 2017. Pero los científicos dicen que debe haber otras formas de producir estos materiales esquivos. Simplemente hay demasiados elementos pesados en el universo y muy pocas fusiones de estrellas de neutrones.
«Es probable que exista otra fuente», dijo Blanchard. «Se necesita mucho tiempo para que las estrellas de neutrones binarias se fusionen. Primero, dos estrellas en un sistema binario tienen que explotar para dejar atrás estrellas de neutrones. Luego, pueden pasar miles de millones y miles de millones de años hasta que las dos estrellas de neutrones se acerquen lentamente y más cerca y finalmente fusionarse. Pero las observaciones de estrellas muy antiguas indican que partes del universo se enriquecieron con metales pesados antes de que la mayoría de las estrellas de neutrones binarias hubieran tenido tiempo de fusionarse.
Los astrofísicos han planteado la hipótesis de que los elementos pesados también podrían producirse por el colapso de una estrella masiva que gira rápidamente, el tipo exacto de estrella que generó el BOAT. Utilizando el espectro infrarrojo obtenido por el JWST, Blanchard estudió las capas internas de la supernova, donde Se deben formar los elementos pesados.
«El material de la estrella que explotó es opaco en las primeras etapas, por lo que sólo se pueden ver las capas exteriores», dijo Blanchard. «Pero una vez que se expande y se enfría, se vuelve transparente. Entonces se pueden ver los fotones que salen de la capa interna de la supernova».
«Además, diferentes elementos absorben y emiten fotones en diferentes longitudes de onda, dependiendo de su estructura atómica, dando a cada elemento una firma espectral única», explicó Blanchard. «Por lo tanto, observar el espectro de un objeto puede decirnos qué elementos están presentes. Al examinar el espectro del BOAT, no vimos ninguna firma de elementos pesados, lo que sugiere que eventos extremos como GRB 221009A no son fuentes primarias. Esta es información crucial a medida que continuamos «Intentar precisar dónde se forman los elementos más pesados».
¿Por qué tan brillante?
Para diferenciar la luz de la supernova del brillante resplandor que la precedió, los investigadores combinaron los datos del JWST con observaciones del Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) en Chile.
«Incluso varios meses después de que se descubriera la explosión, el resplandor era lo suficientemente brillante como para aportar mucha luz en los espectros del JWST», dijo Tanmoy Laskar, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. estudiar. «La combinación de datos de los dos telescopios nos ayudó a medir exactamente qué tan brillante era el resplandor en el momento de nuestras observaciones JWST y nos permitió extraer cuidadosamente el espectro de la supernova».
Aunque los astrofísicos aún tienen que descubrir cómo una supernova «normal» y un GRB sin precedentes fueron producidos por la misma estrella colapsada, Laskar dijo que podría estar relacionado con la forma y estructura de los chorros relativistas. Cuando giran rápidamente, las estrellas masivas colapsan en agujeros negros y producen chorros de material que se lanzan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Si estos chorros son estrechos, producen un haz de luz más enfocado y más brillante.
«Es como enfocar el haz de una linterna en una columna estrecha, a diferencia de un haz ancho que atraviesa toda una pared», dijo Laskar. «De hecho, este fue uno de los chorros más estrechos observados hasta ahora en un estallido de rayos gamma, lo que nos da una pista de por qué el resplandor apareció tan brillante como lo hizo. También puede haber otros factores responsables, una pregunta que Los investigadores seguirán estudiando en los años venideros».
También pueden surgir pistas adicionales de futuros estudios de la galaxia en la que se produjo el BOAT. «Además del espectro del propio BOAT, también obtuvimos un espectro de su galaxia ‘anfitriona'», dijo Blanchard. «El espectro muestra signos de intensa formación estelar, lo que sugiere que el entorno de nacimiento de la estrella original puede ser diferente al de eventos anteriores».
Yijia Li, miembro del equipo y estudiante de posgrado en Penn State, modeló el espectro de la galaxia y descubrió que la galaxia anfitriona del BOAT tiene la metalicidad más baja, una medida de la abundancia de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, de todas las galaxias anfitrionas del GRB anteriores. «Este es otro aspecto único del BOAT que puede ayudar a explicar sus propiedades», dijo Li.
El estudio, «Detección JWST de una supernova asociada con GRB 221009A sin una firma de proceso r», fue apoyado por la NASA (número de premio JWST-GO-2784) y la Fundación Nacional de Ciencias (números de premio AST-2108676 y AST-2002577) . Este trabajo se basa en observaciones realizadas con el Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA.