Οι επιστήμονες ανέλυσαν μια ασυνήθιστα μεγάλη έκρηξη ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας που ονομάζεται έκρηξη ακτίνων γάμμα (GRB) και διαπίστωσαν ότι προήλθε από τη σύγκρουση δύο εξαιρετικά πυκνών άστρων νετρονίων. Το πιο σημαντικό, αυτό το αποτέλεσμα βοήθησε την ομάδα να παρατηρήσει μια λάμψη φωτός που προερχόταν από το ίδιο γεγονός, επιβεβαιώνοντας ότι αυτές οι συγχωνεύσεις είναι μέρη όπου δημιουργούνται στοιχεία όπως ο χρυσός.
Οι παρατηρήσεις που έγιναν με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble επέτρεψαν στους επιστήμονες να δουν τον σχηματισμό χρυσού και βαρέων στοιχείων, τα οποία θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε καλύτερα πώς αυτά τα ισχυρά γεγονότα συγχώνευσης αστέρων νετρονίων παράγουν τα μόνα ταραχώδη περιβάλλοντα στο σύμπαν αρκετά για να παράγει στοιχεία βαρύτερα από το σίδηρο, όπως το ασήμι και ο χρυσός, με αποτέλεσμα μια λάμψη φωτός που ονομάζεται kilonova.
«Ήταν συναρπαστικό να χρησιμοποιούμε τα δυνατά μάτια του Hubble και του JWST για να εξετάσουμε μια κιλόνοβα όπως δεν είχαμε ξαναδεί», είπε στο Space.com η Eleonora Troja, μέλος της ερευνητικής ομάδας και αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης. «Είναι η πρώτη φορά που καταφέραμε να αποδείξουμε ότι τα μέταλλα βαρύτερα από τον σίδηρο και το ασήμι έγιναν φρέσκα μπροστά στα μάτια μας».
Σχετίζεται με: Οι «διαταραχές» από νεκρά αστέρια θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την προέλευση των γρήγορων ραδιοφωνικών εκρήξεων
Οι GRB, οι πιο ισχυρές εκρήξεις ενέργειας στο γνωστό σύμπαν, έχουν συνδεθεί με συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων στο παρελθόν – αλλά αυτή η ανακάλυψη είναι διαφορετική.
Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες. Αφενός, υπάρχουν μεγάλα GRB που διαρκούν περισσότερο από 2 δευτερόλεπτα, και από την άλλη υπάρχουν μικρά GRB που διαρκούν λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα. Ενώ οι συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων συνδέονται με βραχείς GRBs, οι μακριές GRB πιστεύεται ότι είναι το αποτέλεσμα της κατάρρευσης τεράστιων αστέρων παρά το αποτέλεσμα τέτοιων συγκρούσεων.
Η εξαιρετικά φωτεινή και μεγάλη έκρηξη, που ονομάστηκε GRB 230307A, που εντοπίστηκε από εξοπλισμό στην αποστολή Fermi της NASA τον Μάρτιο του 2023, διήρκεσε 200 δευτερόλεπτα. Αυτό ήταν το δεύτερο πιο ενεργητικό GRB που έχει δει ποτέ. Φαινόταν να σχετίζεται με μια κιλόνοβα που ονομάζεται AT2017gfo και μια συγχώνευση αστεριών νετρονίων που συνέβη περίπου 8,3 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, παραβιάζοντας την τυπική σύμβαση GRB και αμφισβητώντας τις θεωρίες σχετικά με το πώς προκαλούνται αυτές οι εκρήξεις ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας.
«Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι η διάρκεια των GRBs που σχηματίζονται από συμπαγείς δυαδικές συγχωνεύσεις αστέρων θα μπορούσε να είναι δεκάδες δευτερόλεπτα», είπε στο Space.com ο Yu-Han Yang, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας και μεταδιδακτορικός ερευνητής στην αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης.
Η ανακάλυψη των ακτίνων γάμμα θα μπορούσε να είναι ένα κοσμικό χρυσωρυχείο
Τα αστέρια μοιάζουν με αστέρες που σχηματίζουν τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα, από την πυρηνική σύντηξη υδρογόνου σε ήλιο στους πυρήνες τους έως τη σύντηξη ηλίου σε βαρύτερα στοιχεία όπως το άζωτο, το οξυγόνο και ο άνθρακας.
Τα αστέρια με τη μεγαλύτερη μάζα, περίπου επτά έως οκτώ φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο, μπορούν να σφυρηλατήσουν στοιχεία μέχρι σίδηρο στην καρδιά τους. Μόλις ένας πυρήνας αστεριού γεμίσει με αυτό το στοιχείο, η σύντηξη σταματά. Αυτό διαταράσσει επίσης την εξωτερική γραμμή ενέργειας που έχει υποστηρίξει το αστέρι ενάντια στη δική του βαρύτητα για εκατομμύρια, μερικές φορές ακόμη και δισεκατομμύρια, χρόνια. Οι πυρήνες αυτών των ογκωδών αστεριών καταρρέουν στη συνέχεια κάτω από αυτή τη συντριπτική βαρύτητα, ανατινάζοντας τα εξωτερικά τους στρώματα σε εκρήξεις σουπερνόβα.
Αυτή η κατάρρευση μεταμορφώνει τον πυρήνα του άστρου, συνθλίβοντας ηλεκτρόνια και πρωτόνια σε μια θάλασσα ρεόντων νετρονίων, σωματίδια που βρίσκονται σε ατομικούς πυρήνες που πολύ σπάνια υπάρχουν «ελεύθερα». Αλλά σε αυτή τη θάλασσα, τα νετρόνια εμποδίζονται από το να συμπιεστούν σφιχτά μεταξύ τους από μια κβαντική αρχή που ονομάζεται πίεση εκφυλισμού νετρονίων, η οποία μπορεί να ξεπεραστεί με αρκετή μάζα για να δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα. Αλλά μερικές φορές δεν υπάρχει αρκετή μάζα για να δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα.
Αυτοί οι νεκροί αστρικοί πυρήνες, που δεν έχουν τη μάζα για να ξεπεράσουν την πίεση του εκφυλισμού, παραμένουν ως αστρικοί πυρήνες πλάτους 12 μιλίων (20 χιλιομέτρων) με μάζες μία έως διπλάσια από αυτή του Ήλιου. Ωστόσο, υπάρχει η πιθανότητα ότι τα αστέρια νετρονίων μπορούν να συνεισφέρουν στοιχεία βαρύτερα από τον σίδηρο στο σύμπαν.
Δεν υπάρχουν όλα τα αστέρια νετρονίων μόνα τους.
Μερικοί διασχίζουν το σύμπαν σε δυαδικά αστέρια νετρονίων, που σημαίνει ότι έχουν ένα άλλο αστέρι νετρονίων στους βαρυτικούς τους συμπλέκτες. Καθώς αυτά τα νεκρά αστέρια περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, προκαλούν τη δόνηση της δομής του διαστήματος, τα λεγόμενα βαρυτικά κύματα, τα οποία απομακρύνουν σταδιακά τη γωνιακή ορμή από το σύστημα.
Αυτό αναγκάζει τα αστέρια νετρονίων να στριφογυρίζουν μαζί, εκπέμποντας βαρυτικά κύματα όλο και πιο γρήγορα με την πάροδο του χρόνου και ταυτόχρονα «εκπέμποντας» περισσότερη γωνιακή ορμή. Τελικά τα δύο συγκρούονται και συγχωνεύονται. Αυτή η σύγκρουση παράγει μια έκρηξη ακτίνων γάμμα, στέλνοντας ένα σπρέι υλικού πλούσιου σε νετρόνια που βοηθά στο σχηματισμό των βαρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα.
Άλλοι πυρήνες κοντά σε αυτές τις συγκρούσεις συλλαμβάνουν τα ελεύθερα νετρόνια μέσω της διαδικασίας ταχείας σύλληψης νετρονίων, ή της διαδικασίας R, και γίνονται βραχύβια υπερβαριά στοιχεία που ονομάζονται «λανθανίδες». Αυτά τα λανθανίδια στη συνέχεια διασπώνται γρήγορα σε ελαφρύτερα στοιχεία (αν και τα στοιχεία εξακολουθούν να είναι βαρύτερα από τον μόλυβδο). Αυτή η διάσπαση προκαλεί την εκπομπή ακτινοβολίας, φωτός που βλέπουμε από τη Γη ως «κιλόνοβα». Επομένως, η παρακολούθηση της εξέλιξης των kilonovas μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό του σχηματισμού στοιχείων όπως ο χρυσός και το ασήμι.
«Οι συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα ιδανικό περιβάλλον για τη μεγάλης κλίμακας σύνθεση βαρέων στοιχείων που δεν μπορούν επί του παρόντος να δημιουργηθούν τεχνητά», είπε ο Yang. «Η μελέτη των συγχωνεύσεων αστεριών νετρονίων μας βοηθά να ξαναγράψουμε τα σκοτεινά κεφάλαια της πυρηνοσύνθεσης».
Κοσμική αλχημεία σε δράση
Κατά τη διάρκεια εβδομάδων έως μηνών, ο Yang εξήγησε ότι τα kilonovas καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συμπεριφορών. Αυτή η συμπεριφορά εξαρτάται από τη σύνθεση του υλικού που εκτοξεύεται και τον τύπο του υπολείμματος που σχηματίζεται στο κέντρο της τοποθεσίας συγχώνευσης.
Οι παρατηρήσεις των περισσότερων kilonovae δεν επεκτείνονται σε τόσο όψιμα στάδια της εξέλιξής τους – αλλά το AT2017gfo ήταν διαφορετικό. Δυστυχώς, τα δεδομένα καθυστερημένης παρατήρησης για το AT2017gfo που συλλέχθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer ήταν περιορισμένα. Παρείχαν μόνο ασθενή σήματα μολυσμένα από τον γαλαξία-ξενιστή της kilonova και παρείχαν ανεπαρκή κάλυψη σε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός.
«Τις πρώτες μέρες, η συμπεριφορά ενός kilonova δεν επηρεάζεται από τη χημική του σύνθεση», εξήγησε ο Troja. «Χρειάζονται εβδομάδες για να καταλάβουμε ποια μέταλλα δημιουργήθηκαν στην έκρηξη και δεν είχαμε ποτέ την ευκαιρία να κοιτάξουμε ένα κιλόνοβα για τόσο καιρό».
Αυτοί οι περιορισμοί είχαν εμποδίσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τα κιλονόβα και τις διαδικασίες που τα παράγουν.
Ωστόσο, στην περίπτωση του AT2017gfo, η ευαισθησία και η πολύχρωμη κάλυψη των παρατηρήσεων του JWST και του Hubble επέτρεψαν στον Yang και στους συνεργάτες του να παρατηρήσουν τη φωτεινότητα αυτού του kilonova αργότερα.
«Παρακολουθήσαμε την εξέλιξη του παροδικού γεγονότος που σχετίζεται με το GRB 230307A έως και δύο μήνες μετά την έκρηξη και καταγράψαμε την πλήρη μπλε-κόκκινη εξέλιξη αυτού του παροδικού γεγονότος, το οποίο μπορεί να ταξινομηθεί ως kilonova», είπε ο Yang. «Ανακαλύψαμε τη μείωση της ακτίνας της φωτόσφαιρας τελευταία. Η φθίνουσα ακτίνα της φωτόσφαιρας παρέχει στοιχεία για τον ανασυνδυασμό βαρέων στοιχείων όπως οι λανθανίδες που συμβαίνει στη διαδικασία ψύξης. Απαιτούνται βαριά στοιχεία διαδικασίας R για την παραγωγή των παρατηρούμενων δεδομένων.”
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ:
— Μια νέα προσέγγιση θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κοιτάξουν στο εσωτερικό ενός αστέρα νετρονίων
– Τα αστέρια νετρονίων σε μέγεθος πόλης μπορεί στην πραγματικότητα να είναι μεγαλύτερα από ό,τι πιστεύαμε
– Το βαρύτερο άστρο νετρονίων που παρατήρησε ποτέ τα δάκρυα του συντρόφου του
Αυτό επιβεβαίωσε ότι οι συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων πράγματι παράγουν στοιχεία βαρύτερα από τον χρυσό και επιβεβαιώνει ακόμη και ότι μπορούν να σχηματιστούν μακριές GRB από συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων. Κατά τη γνώμη μου, το μυστήριο του γιατί αυτή η συγκεκριμένη συγχώνευση άστρων νετρονίων παρήγαγε ένα τόσο ασυνήθιστα μεγάλο GRB δεν έχει ακόμη λυθεί.
“Αυτό το γεγονός αποδεικνύει ότι μια μακροχρόνια GRB που προκύπτει από συμπαγείς δυαδικές συγχωνεύσεις δεν είναι ένα τυχαίο γεγονός”, είπε ο Yang, προσθέτοντας ότι υπάρχουν ακόμη πολλά ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν σχετικά με αυτά τα συμβάντα. «Τι διορατικές γνώσεις μπορούν να δώσουν οι καθυστερημένες παρατηρήσεις των kilonovas σχετικά με την πυρηνοσύνθεση;
«Ανυπομονούμε για κοινές παρατηρήσεις μακροπρόθεσμων εκρήξεων ακτίνων γάμμα, κιλονόβα και βαρυτικών κυμάτων στο μέλλον, που θα βοηθήσουν στην επίλυση των μυστηρίων που περιβάλλουν τέτοιες ακραίες τιμές».
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε την Τετάρτη (21 Φεβρουαρίου) στο περιοδικό Nature.