Исследование завода по производству тяжелых металлов на расстоянии 900 миллионов световых лет от нас

Астрономы, использующие космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба и другие телескопы, обнаружили яркий гамма-всплеск в результате столкновения нейтронной звезды, что привело к первому прямому наблюдению тяжелых металлов, таких как теллур, в космосе. Это открытие проливает свет на происхождение тяжелых элементов во Вселенной.

Используя несколько обсерваторий, астрономы напрямую обнаружили теллур в двух сливающихся нейтронных звездах.

Необычная вспышка высокоэнергетического света в небе указала астрономам на пару металлообразующих нейтронных звезд в 900 миллионах световых лет от Земли.

В исследовании, недавно опубликованном в природамеждународная группа астрономов, в том числе учёные из Массачусетский Институт ТехнологийСообщения указывают на открытие чрезвычайно яркого гамма-всплеска (GRB), самого мощного типа взрыва, известного во Вселенной. Этот GRB является вторым по яркости взрывом, когда-либо обнаруженным, и впоследствии астрономы проследили причину взрыва до двух сливающихся нейтронных звезд. Нейтронные звезды представляют собой сверхплотные коллапсирующие ядра массивных звезд, и считается, что именно там образуются многие тяжелые металлы Вселенной.

Доказательства присутствия тяжелых металлов в космосе

Команда обнаружила, что когда звезды вращаются вокруг друг друга и в конечном итоге сливаются, они выделяют огромное количество энергии в виде гамма-всплесков. Первоначально астрономы непосредственно обнаруживали следы тяжелых металлов в следах звезд. В частности, они обнаружили явный сигнал о теллуре, тяжелом и несколько токсичном элементе, который на Земле встречается реже, чем платина, но, как полагают, широко распространен во Вселенной.

В концепции этого художника две нейтронные звезды начинают сливаться, выбрасывая струи высокоскоростных частиц и создавая облако обломков. Кредит: А. Симонет (Государственный университет Сономы) и Центр космических полетов Годдарда

По оценкам астрономов, в результате слияния образовалось достаточно теллура, чтобы равняться массе 300 планет земной группы. Если теллур существовал, в результате термоядерного синтеза должны были образоваться другие близкородственные элементы, такие как йод, минеральное питательное вещество, необходимое для большей части жизни на Земле.

Глобальные астрономические усилия

Открытие было сделано благодаря коллективным усилиям астрономов всего мира с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST), а также других наземных и космических телескопов, включая спутник НАСА TESS (миссия под руководством MIT) и Очень Большой Телескоп. (Очень Большой Телескоп). VLT) в Чили, который ученые Массачусетского технологического института использовали для этого открытия.

««Это открытие является важным шагом вперед в нашем понимании мест образования тяжелых элементов во Вселенной и демонстрирует возможности объединения наблюдений на разных длинах волн, чтобы раскрыть новое понимание этих чрезвычайно энергичных взрывов», — говорит соавтор исследования Бенджамин Шнайдер. , постдокторант Технологического института Центра астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института.

Шнайдер — один из нескольких исследователей из различных учреждений по всему миру, которые внесли свой вклад в исследование, которое возглавили Эндрю Леван из Университета Радбауд в Нидерландах и Университета Радбауд в Нидерландах. Университет Уорика в Великобритании.

«Все сразу»

Первый взрыв был обнаружен 7 марта 2023 года НАСАКосмический гамма-телескоп Ферми идентифицировал его как исключительно яркий гамма-всплеск, который астрономы назвали GRB 230307A.

«Возможно, трудно переоценить, насколько он яркий», — говорит Майкл Фосноу, который в то время был научным сотрудником Массачусетского технологического института, а сейчас является доцентом Техасского технологического университета. «В гамма-астрономии обычно подсчитывают отдельные фотоны. Но вошло так много фотонов, что детектор не мог различить отдельные фотоны. Как будто диск достиг своего предела.

Изображение JWST/NIRCam GRB 230307A, показывающее связанную с ней килоновую и ее родительскую галактику. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, CSA, STScI, Эндрю Леван (IMAPP, Warw)

Сверхяркий взрыв также был исключительно продолжительным — 200 секунд. Нейтронная звезда Слияния обычно производят короткие гамма-всплески, которые вспыхивают менее двух секунд. Яркое, продолжительное свечение сразу же привлекло внимание всего мира, когда астрономы направили на взрыв множество других телескопов. На этот раз яркость взрыва пошла на пользу учёным, поскольку вспышку гамма-излучения зафиксировали спутники по всей Солнечной системе. Путем триангуляции этих наблюдений астрономы смогли точно определить место взрыва на южном небе, в созвездии Менса.

В Массачусетском технологическом институте Шнайдер и Фосноу присоединились к трансляционным исследованиям. Вскоре после первоначального открытия Ферми Фосноу проверил, появился ли взрыв в данных, полученных обсерваторией Ферми. козел Спутник, который, как оказалось, направлен в ту же часть неба, где первоначально был обнаружен GRB 230307A. Фосноу вернулся к этой части данных TESS и проследил за взрывом, а затем проследил его активность от начала до конца.

«Мы могли видеть все сразу», — говорит Фосноу. «Мы увидели действительно яркую вспышку, за которой последовал небольшой всплеск или послесвечение. Это была уникальная кривая блеска. Без TESS было бы почти невозможно заметить раннюю оптическую вспышку, которая возникает одновременно с гамма-лучами».

Тем временем Шнайдер исследовал взрыв с помощью другого наземного телескопа: Очень большой телескоп (VLT) в Чили. Будучи участником большой программы наблюдения взрывов гамма-всплесков, работавшей на этом телескопе, Шнайдер оказался в переходном состоянии вскоре после первоначального наблюдения Ферми и сфокусировал телескоп на взрыве.

Наблюдения VLT повторили данные TESS и выявили столь же странную картину: выбросы гамма-всплесков, по-видимому, быстро смещаются от синих волн к красным. Эта картина является особенностью килоновой звезды — массивного взрыва, который обычно происходит при столкновении двух нейтронных звезд. Анализ команды Массачусетского технологического института в сочетании с другими наблюдениями по всему миру помог определить, что гамма-всплески, вероятно, являются продуктом слияния двух нейтронных звезд.

Отслеживание слияния нейтронных звезд

Где зародился сам термоядерный синтез? По этой причине астрономы обратились к системе глубокого обзора JWST, которая позволяет видеть дальше в космосе, чем любой другой телескоп. Астрономы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба для наблюдения GRB 230307A, надеясь определить родительскую галактику, из которой произошли нейтронные звезды. Изображения телескопа, как ни странно, показали, что гамма-всплески, похоже, не связаны ни с одной родительской галактикой. Но, похоже, на расстоянии около 120 000 световых лет от нас есть соседняя галактика.

Наблюдения телескопа показывают, что нейтронные звезды были выброшены из соседней галактики. Вероятно, они образовались как пара массивных звезд в двойной системе. В конце концов, обе звезды превратились в нейтронные звезды в результате мощных событий, которые «выбили» дуэт из их родной галактики, заставив их сбежать в новое место, где они медленно вращались вокруг друг друга и слились несколько сотен миллионов лет спустя.

Среди энергетических выбросов в результате термоядерного синтеза космический телескоп Джеймса Уэбба также обнаружил четкий сигнал теллура. Хотя большинство звезд могут производить такие легкие элементы, как железо, считается, что все другие более тяжелые элементы во Вселенной образовались в более экстремальных условиях, таких как слияние нейтронных звезд. Открытие теллура космическим телескопом Джеймса Уэбба также подтвердило, что первоначальный гамма-всплеск возник в результате слияния нейтронной звезды.

«Для JWST это только начало, и оно уже имеет большое значение», — говорит Шнайдер. «В ближайшие годы будут обнаружены новые слияния нейтронных звезд. Сочетание космического телескопа Джеймса Уэбба и других мощных обсерваторий будет иметь решающее значение для пролития света на природу этих интенсивных взрывов».

Подробнее об этом исследовании см.:

Ссылка: «Производство тяжелых элементов при слиянии компактных тел, наблюдаемое космическим телескопом Джеймса Уэбба», Эндрю Леван, Бенджамин Б. Гомпертц, Ом Чаран-Сильвия, Маттиа Паула, Эрик Бернс, Кента Хотокизака, Лука Иззо, Гэвин Б. Лэмб, Дэниел Б. Малесани, Саманта Р. Оутс, Мария Эдвиг Равазио, Алисия Рокко Эскориал, Бенджамин Шнайдер, Никхил Сарин, Стив Шульц, Найл Р. Танвир, Кендалл Экли, Джемма Андерсон, Габриэль Б. Браммер, Лиз Кристенсен, Викрам С. Диллон, Фил А. Эванс, Майкл Фосноу, Вэнь Фей Фунг, Эндрю С. Фрухтер, Крис Фрайер, Йохан Бо-Фенбо, Никола Гаспарри, Каспер Э. Хайнц, Йенс Хейворт, Джимми А. Кения, Марк Р. Кеннеди, Танмой Ласкар, Гиоргос Лилудас, Илья Мандель, Антонио Мартин Каррильо, Брайан Д. Мецгер, Мэтт Николл, Аня Ньюджент, Джесси Т. Палмерио, Джованна Пульезе, Джиллиан Растинежад, Лорен Роудс, Андреа Росси, Андреа Саккарди, Стивен Дж. Смарт, Элоиза Ф. Стефанс, Аарон Товавохо, Александр ван дер Хорст, Сюзанна Д. Вирджани, Дарач Уотсон, Томас Барклай, Корнбуб Перумбакди, Элми Брейдт, Элис А. Брефилд, Александр Дж. Браун, Серджио Кампана, Эшли А. Кремс, Паоло Д’Аванзо, Валерио Д’Элиа, Массимилиано Де Паскуали, Мартин Дж. Дайер, Дункан К. Галлоуэй, Джеймс А. Гарбутт, Мэтью Дж. Грин, Дитер Х. Хартманн, Пэл Джейкобсон, Пол Керри, Крисса Ковелотто, Дэниэл Ланжерод, Эмерик Ле Флоке, Джеймс К. Люнг, Стюарт Б. Литтлфэр, Джеймс Мандей, Пол О’Брайен, Стивен Дж. Парсонс, Ингрид Беллисоли, Дэвид И. Сахман, Рубен Сальватерра, Борис Спаровати, Дэнни Стигс, Джанпьеро Тальяферри, Кристина К. Тон, Антонио де Угарте Постиго и Дэвид Александр Кан, 25 октября 2023 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-023-06759-1