11 Aralık 2021'de, ışığın en enerjik biçimi olan bir gama ışını demeti NASA'nın Swift uydusuna çarptı. Uydu, 120 saniye içinde patlamaya doğru döndü ve kozmik bir felaketin parlayan közlerini fark etti. On dakika sonra dünyanın her yerindeki gökbilimcilere uyarılar gönderildi.

Aralarında Jillian RastinejadNorthwestern Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi. Rastinejad ve çalışma arkadaşlarına göre, bu gama ışını patlaması tuhaf bir şekilde 2006'daki alışılmadık bir patlamaya benziyordu. Rastinejad, Hawai'i'deki Gemini Gözlemevi'ni aradı ve oradaki araştırmacıları, patlamanın geldiği gökyüzü parçasına derinlemesine bakmaları için görevlendirdi. Birkaç gün sonra, bulutlar gelmeye başladığında Arizona'daki MMT Gözlemevi'nden bir araştırmacı görevi devraldı ve teleskopu bir milyar ışıkyılı uzaklıktaki ışığın solan noktasına yöneltmek için elinden geleni yaptı.

Rastinejad, orada da havanın tersine döndüğü göz önüne alındığında bunun küçük bir başarı olmadığını söyledi. “Her gün sabah saat 4 civarında bizim için bulutların arasında bir delik buluyordu.”

Yaklaşık bir hafta sonra gözlem zinciri tamamlandığında, Rastinejad ve meslektaşları bu gama ışınlarını evrene neyin ateşlediğine dair oldukça iyi bir fikre sahipti. İzledikleri sırada patlamanın sonuçları giderek daha kırmızı hale gelmişti; bu, enkazın içinde altın ve platin gibi ağır atomların oluştuğunun şaşmaz bir işaretiydi. Bu tür kozmik simyanın ana kaynağı, ölü güneşlerin hayal edilemeyecek kadar yoğun çekirdekleri olan nötron yıldızlarının dahil olduğu çarpışmalardır.

Tek sorun böyle bir sonuca varmanın imkansız görünmesiydi. Astrofizikçiler, nötron yıldızları birleştiğinde her şeyin saniyeden çok kısa bir sürede biteceğini düşünüyor. Ancak Swift, nispeten sonu gelmez 51 saniye süren bir gama ışını bombardımanı kaydetmişti; normalde çok farklı türde bir kozmik dramın imzasıydı.

O zamandan beri gökbilimciler bunun gibi daha fazla olay tespit etti. En sonuncusu, şimdiye kadar tespit edilen ikinci en parlak gama ışını patlamasının 35 saniye sürdüğü Mart ayında meydana geldi. Gökbilimciler bir kez daha nötron yıldızı çarpışmasının kırmızı sonuçlarını gözlemledi. Ayrıca James Webb Uzay Teleskobu'nu da işe aldılar tuhaf patlamayı incelemek için ve çöken tozda ağır element tellürünün işaretlerini tespit ettim.

Bir dizi gözlem, çoğu araştırmacının çözülmüş olduğunu düşündüğü bir astronomi alanına yeni bir gizem getiriyor: Bu sözde hızlı, şiddetli olayların, gama ışınlarını bu kadar uzun süre patlatmasına neden olan şey nedir? Bu, astrofizikçilerin, birçoğu bu şiddetli patlamalardan doğan evrendeki tüm farklı elementlerin kökenlerini anlamak gibi daha iddialı bir hedefe ulaşmak istiyorlarsa çözmeleri gereken bir bulmaca.

"Bunu gördüğüme gerçekten çok sevindim" dedi Daniel KasenBerkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden kozmik patlamalar konusunda uzmanlaşmış bir astrofizikçi. "Gerçek bir bulmaca ortaya çıkardı."

Soğuk Savaş, Parlak Patlamalar

Bugün Swift her birkaç günde bir gama ışını patlaması yakalıyor. Ancak patlamalar, birdenbire ortaya çıktıkları Soğuk Savaş'ın zirvesine kadar bilinmiyordu. 1960'larda ABD Hava Kuvvetleri, Sovyetler Birliği'nin nükleer silah testi yasağına uyduğundan emin olmak için Vela uydularını fırlattı. Sovyetler uzayda bir nükleer bomba patlatırsa, bunun sonucunda ortaya çıkan gama ışınlarının (atom çekirdeği kadar kısa enerjik ışık dalgaları) gizlenmesi imkansız olurdu.

Uydular herhangi bir Sovyet ihlali tespit etmedi. Ancak 1969 ile 1972 arasında, 16 gizemli flaş Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacıların "kozmik kökenli" olduğu belirlenen gama ışınlarının.

Sonraki yıllarda NASA soruşturmayı üstlendi. Uzay ajansı bir fırlatma başlattı özel seri avlanma uydusu 1991'de ve sonraki dokuz yıl boyunca yaklaşık 3,000 gama ışını patlaması tespit etti. Etkinlikler kısa ve uzun olmak üzere iki şekilde gerçekleşti. Kısa patlamaların çoğu bir saniyeden kısa sürdü, uzun patlamaların çoğu ise bir dakika veya daha uzun sürdü (iki tat arasındaki ayrım çizgisi yaklaşık iki saniyedir).

Bu patlamalara neden olan şey felaket gibi görünüyordu; Bir pop şarkısının yarısından daha kısa bir sürede, güneşimizin milyarlarca yıl boyunca ürettiği enerji kadar enerji yaydılar. Ne bu kadar parlak bir şekilde parlayabilir? Astrofizikçiler başlangıçta emin değildiler, ancak içerdiği muazzam enerjiler dünyanın sonunu getirecek felaketlere işaret ediyordu. Ve bu iki süre, iki tür felakete işaret ediyordu; daha hızlı olanı yaklaşık bir saniye sürüyordu ve (biraz) daha yavaş olan ise bir dakikadan uzun sürüyordu.

Gökbilimciler önce daha yavaş patlamaların kökenini buldular. 1990'ların sonlarında, araştırmacılar bir patlamanın geldiği yönü belirleme konusunda daha iyi hale geldikçe, kozmik patlamalara işaret eden ardıl parlamaları yakalamaya başladılar. Daha sonra, 2003 yılında, yakındaki bir gün batımı sonrası kızıllığı izleyen gökbilimciler, bir süpernovanın parlak havai fişekleri Uzun bir gama ışını patlamasından sadece birkaç gün sonra: Patlama, dev bir yıldızın ölümünün ilk aşamasını işaret ediyordu.

Daha hızlı bir felaketi anlamak bir on yıl daha ve daha keskin araçlar gerektirecektir. Çığır açan aracın NASA'nın Swift uydusu olduğu kanıtlandı. 2004 yılında piyasaya sürülen Swift, gama ışınlarını gökyüzünün geniş bir alanından yakalayabilen metre uzunluğunda desenli bir kurşun plakaya sahipti. En önemlisi, aynı zamanda herhangi bir astronomik patlama yönünde yerleşik bir çift teleskopu hızla döndürme konusunda eşsiz bir yeteneğe de sahipti. (Swift bilim adamlarının edindiği bilgilere göre, bu bas-çek teknolojisi kısmen başka bir Soğuk Savaş savunma projesi için geliştirildi: Ronald Reagan'ın, gayri resmi olarak "Yıldız Savaşları" olarak bilinen ve uçuş sırasında nükleer füzeleri vurmayı amaçlayan Stratejik Savunma Girişimi. )

Swift sayesinde gökbilimciler artık iki dakika içinde bir patlamayı gözlemleyebildiler; bu, kısa gama ışını patlamalarının ardından gelen parlamaları ilk kez yakalayacak kadar hızlıydı. Gökbilimciler ilk parlamanın sönmesini izlerken, zamanla daha da kırmızılaşan bir patlamanın işaretlerini de gördüler. Astrofizikçiler çok geçmeden bu kırmızılığın bir nötron yıldızının (iki nötron yıldızı arasında veya bir nötron yıldızı ile bir kara delik arasında meydana gelen bir çarpışma olabilir) dahil olduğu bir birleşmeden sonra beklenebileceğini hesapladılar. Böyle bir çarpışma, ışığın daha kısa, daha mavi dalga boylarını engelleyen kalıntıları dışarı atacaktır. Kilonova adı verilen bu patlamaları, onlardan önce gelen kısa gama ışını parlamalarıyla eşleştirmek, nötron yıldızı birleşmelerinin kısa bir felaket olduğuna dair güçlü ikinci dereceden kanıtlar sağladı.

Doğrudan kanıt 17 Ağustos 2017'de geldi. Yakınlardaki iki nötron yıldızı çarpıştı ve uzay-zaman dokusunu sarsarak, Lazer Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi'nin (LIGO) tespit edebileceği yerçekimsel dalgalar üretti. Bilim insanları daha sonra bu dalgacıklarda kodlanan bilgileri okuyarak çarpışan nesnelerin kütlelerini hesaplayacak ve bunların nötron yıldızları olduğunu öğreneceklerdi. Kütleçekim dalgaları geldikten hemen sonra Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu iki saniyelik bir gama-ışını patlamasını tespit etti. Sonraki günlerde ise gökbilimciler gama ışını patlamasıyla aynı noktada bir kilonovanın belirgin bir şekilde kızardığını gördüler. arka arkaya üç gözlem şüpheye pek yer bırakmıyordu: Kısa patlamalar nötron yıldızı birleşmelerinden gelebilirdi.

"Bu her şeyi güçlendirdi" dedi Brian MetzgerColumbia Üniversitesi'nden astrofizikçi ve birleşme sonrasında kilonovanın neye benzeyeceğini ilk tahmin eden teorisyenlerden biri. "[Düşündük] 'Tamam, bu resim gerçekten mantıklı.'"

Bu resim artık kırılmaya başlıyor.

Üçüncü Perdede Bir Değişiklik

İlk önce Rastinejad geldi 51'in sonlarında 2021 saniyelik patlama. 2006'dan kalma, yakınlardaki uzun bir patlamaya çok benziyordu ve şaşırtıcı bir şekilde bir süpernovadan yoksun gibi görünüyordu. Ancak modern araçlar ve neyin aranması gerektiğine dair daha derin bir anlayış sayesinde Rastinejad ve meslektaşları, gökbilimcilerin 2006'da göremediklerini görmeyi başardılar: 2021 patlamasını soluk kırmızı bir kilonova izledi.

Bu gözlem heyecanlandırdı Andrew Levan Radboud Üniversitesi'nden, 64'dan beri üzerinde çalıştığı gizemli 2019 saniyelik patlamayı yeniden ele alacak. Patlama, yıldız doğumlarının ve ölümlerinin (süpernova biçiminde) çok uzun zaman önce sona erdiği eski bir galaksinin kalbinde patlamıştı. Haziranda, Levan ve işbirlikçileri savundu Uzun patlamalarının en olası açıklaması, en az biri muhtemelen bir nötron yıldızı olan iki yıldız cesedinin birbirini bulup birleşmesiydi.

Ve şimdi James Webb Uzay Teleskobu, anormal bir patlamanın ardından ne olacağına dair şimdiye kadarki en net görüntüyü sağladı. 35 saniyelik patlama 7 Mart'ta Dünya'ya ulaştığında Swift'in gama ışını algılayan kurşun plakası farklı bir yöne bakıyordu. Enerjik ışınlar esas olarak Fermi tarafından tespit edildi ve bu da onu tüm zamanların en parlak ikinci gama ışını patlaması olarak belirledi (sonradan rekor kıran bir olay 2022 olarak).

Gökbilimciler, Swift'in yerine patlamanın konumunu belirlemek için gezegenler arası bir uzay aracı filosunu (Mars ve Merkür'deki sondalar dahil) kullandılar. Sonraki günlerde, yerdeki teleskoplar bir kilonovanın belirgin kırmızılaşmasını yeniden gördüğünde Levan, olayın neredeyse gerçek zamanlı JWST gözlemi için acil durum talebinde bulundu. Levan, "Şanslıyız ki evet dediler" dedi. "Bu, ilk patlamadan yaklaşık bir ay sonra bu gözlemleri elde etmemizi sağladı."

JWST dalgalanan enkaz alanından bol miktarda veri topladı. Optik teleskoplar, olayın astrofizikçileri cezbetmesinin tam da nedeni nedeniyle, kalın kilonova bulutunun derinliklerini göremiyor: Devasa, ışığı engelleyen atomları, gizemli bir olay zinciri yoluyla dışarı püskürtüyor. r-işlem.

Yıldızlar tipik olarak hidrojen atomlarını helyuma dönüştürür ve daha sonra daha hafif atomları oksijen ve karbon gibi daha ağır atomlara dönüştürür. rSüreç, doğal olarak oluşan en ağır elementlere doğrudan atlamanın tek yollarından biridir. Bunun nedeni, bir nötron yıldızı çarpışmasının yoğun bir nötron girdabını yaratmasıdır. Kaos ortamında, nötronlar sürekli olarak atom çekirdeğine girerek son derece kararsız ve radyoaktif atomlar oluşturuyor. Bu atomlardaki nötronlar bozunurken protonlara dönüşürler. Eğer 78 proton elde ederseniz, bu bir platin atomudur. 79 proton alırsanız bu altındır.

Nötron yıldızı tozunun oluşturduğu büyük atomlar görünür ışığı bloke ediyor ve çoğunlukla kızılötesi ışıkta parlıyor. Kızılötesi bir teleskop olan JWST'nin bir kilonova bulutuna bakmak için bu kadar uygun olmasının nedeni budur. Metzger, "JWST ile daha önce hiç kilonova gözlemlememiştik" dedi. "Mükemmel bir enstrüman."

Enkazın içinde JWST tellür atomlarını (52 proton) tespit etti; bu da nötron yıldızı birleşmelerinin oldukça ağır elementleri periyodik tablonun beşinci sırasının sonuna doğru oluşturabileceğini doğruluyor. Levan, "Daha önce gördüklerimizden çok daha ağır bir element" dedi.

Ancak aynı zamanda JWST gözlemi, bir zamanlar ne kadar ihtimal dışı görünse de, nötron yıldızlarını içeren birleşmelerin uzun gama ışını patlamaları üretebileceğine dair giderek artan farkındalığı artırıyor. Şimdi soru şu: Nasıl?

Yoğun Nesneler, Uzun Patlamalar

Süpernovalar uzun gama ışını patlamaları yayarlar çünkü yıldız patlamaları nispeten yavaş ve karmaşıktır. Dev bir yıldızın ölümü, merkezinin kara deliğe dönüşmesiyle başlar. Bu gerçekleştikten sonra, dış yıldız maddesinin önemli bir kısmı (belki de birkaç güneşin kütlesine eklenebilir) kara deliğin içine doğru spiraller çizerek, gama ışınlarını birkaç dakikaya kadar boşluğa ateşleyen güçlü parçacık jetleri fırlatır.

Nötron yıldızı birleşmelerinin ise tam tersine bir anda bitmesi gerekiyor. Bir nötron yıldızı, yaklaşık bir Güneş kütlesini sadece birkaç mil çapında pürüzsüz, küçük bir küreye sığdırır. Bu yoğun kürelerden ikisi çarpıştığında veya biri kara deliğe çarptığında madde çökerek kara deliğe dönüşür. Bu son spazm sırasında, yıldızların çökmesi durumunda olduğundan çok daha az artık madde yörüngeye atılır. Kara delik, ağırlığı Güneş'ten 10 kat daha az olabilecek bu hafif atıştırmayı tüketirken, saniyenin onda biri kadar süren jetlere (ve bir gama ışını patlamasına) kısa süreliğine güç verir.

Levan, Rastinejad ve diğerlerinin yeni gözlemleri, nötron yıldızı birleşmelerinin bu hızlı ve net görüntüsüyle çelişiyor. "Saniyenin çok küçük bir kısmı kadar yaşayan bir sistemin 10 saniyelik bir patlama yaşamasının hiçbir anlamı yok" dedi. Cevher GottliebFlatiron Enstitüsü'nde gözlemlere katılmayan hesaplamalı bir astrofizikçi.

Bir olasılık, nötron yıldızlarından daha büyük ve daha dağınık bir şeyin bu kalıcı patlamaları göndermesidir. Özellikle, daha uzun süreleri, bir beyaz cüce (küçük bir yıldızın yakıtı bittiğinde geride kalan daha büyük bir yıldız cesedi türü) ile bir kara delik veya nötron yıldızı arasındaki birleşmeye daha doğal olarak uyacaktır. Bu senaryo, bir kara deliği çevreleyen daha fazla maddenin oluşmasıyla sonuçlanır. Ancak beyaz cücelerin dahil olduğu çarpışmaların doğru türde gama ışını patlamaları, hatta kilonovalar üretip üretmeyeceği belli değil. Berkeley'den Kasen, "Bu fenomenin tamamı çok daha az araştırıldı" dedi. "Şu anda bunun üzerinde çalışıyoruz."

Diğer bir seçenek ise uzun gama ışını patlamalarının yeni doğmuş kara deliklerle ziyafet çekmesinden kaynaklanmamasıdır. Bunun yerine, iki küçük nötron yıldızını birbirine çarparsanız ve ortaya çıkan damla yeterince hızlı dönerse, birkaç dakika boyunca kara deliğe çökmeye direnebilir. Kısa ömürlü nesne, dönüşü yavaşladıkça daha uzun bir gama ışını patlaması yayan, oldukça mıknatıslanmış bir nötron yıldızı (bir "mıknatıs") olacaktır. Metzger bu senaryonun detaylandırılmasına yardımcı oldu ama o bile bunun radikal bir fikir olduğunu düşünüyor. "Hala haklı olarak bu konuda şüpheciyim" dedi.

Metzger'e göre en ihtiyatlı olasılık, nötron yıldızlarını içeren birleşmelerin astrofizikçilerin düşündüğünden daha karmaşık olmasıdır. Yaz boyunca, detaylı simülasyonlar Gottlieb liderliğindeki bir işbirliğinden elde edilen bilgiler, durumun sıklıkla böyle olabileceğini öne sürdü. Özellikle, hafif bir nötron yıldızı, yeterince ağır dönen bir kara delikle karşılaştığında, nötron yıldızı spiral şeklinde içeri girer ve kara delik onu yüzlerce yörüngede parçalayarak, kara deliğin tüketmesi için onlarca saniyeye ihtiyaç duyduğu daha ağır bir malzeme diski bırakır. . arasındaki çarpışmaları simüle ederken nötron yıldızları ve kara deliklerGottlieb, Metzger ve çalışma arkadaşları, daha uzun gama ışını patlamalarına neden olan daha ağır disklerin oldukça yaygın olduğunu buldular.

Aslında, ironik bir şekilde, simülasyonları sıklıkla gözlemlenen kısa patlamaları uzun patlamalar kadar kolay üretmedi ve bu da kısa patlamalara tam olarak neyin güç verdiğine dair soruları gündeme getirdi.

Gottlieb, "Bunları tam olarak anlamıyoruz" dedi. “Sanırım şu anda en büyük sorun bu.”

Boşlukları Doldurmak

Ölü yıldızlar çarpıştığında gerçekte neyin kaybolduğunu anlamak için gökbilimcilerin, gama ışını patlamalarının ayrıntılı bir kataloğunu oluşturma çabalarını iki katına çıkarması gerekecek, çünkü esas olarak süpernova kaynaklı patlamalar olarak varsaydıkları patlamalar artık karışık görünüyor. bilinmeyen sayıda nötron yıldızı birleşmesiyle. Bu, hem uzun patlamalardan hem de kısa patlamalardan sonra kilonovaların (çarpışmaların işareti) avlanmasını gerektirecektir. Uzun ve kısa arasındaki ayrım devam ederse, bu bir kilonovayı pişirmenin birden fazla yolu olduğunun işareti olabilir.

Rastinejad, "Nispeten yakında bir etkinlik olduğunda, bunun üzerine gitmemiz gerektiğini öğreniyoruz" dedi.

LIGO da kritik bir rol oynayacak. Gözlemevi, son zamanlardaki tuhaf patlamalar sırasında yükseltmeler nedeniyle çevrimdışıydı, ancak şu anda uzak çarpışmaları dinlemeye yönelik dördüncü çalışmasının ortasında. Eğer LIGO uzun bir gama ışını patlamasından gelen yerçekimsel dalgaları yakalayabilirse, bilim insanları olaya nötron yıldızlarının mı yoksa kara deliklerin mi dahil olduğunu bilecekler. Bu aynı zamanda yerçekimsel dalgaları LIGO tarafından tespit edilemeyen beyaz cüceleri de elemelerine olanak tanıyacak. Gelecekteki gözlemevlerinde dalgalardaki ayrıntılı kıpırdamalar, ortaya çıkan ürünün bir magnetar mı yoksa bir kara delik mi olduğuna dair ipuçları bile sunabilir.

Metzger, "[Kütleçekim dalgaları] bu soruyu ilerletmenin gerçekten tek kesin yolu olacak" dedi.

Astrofizikçiler, nötron yıldızı birleşmelerinin yerçekimsel gürültüsünü algılayarak ve gama ışını patlamalarını ve kilonovaları gözlemleyerek, hidrojenden platinden plütonyuma kadar evrendeki her maddenin kökenini tam olarak açıklama yönündeki uzun vadeli hedeflerini sonunda gerçekleştirebilirler. Bunu yapabilmek için ne tür birleşmelerin gerçekleştiğini, her türün ne sıklıkta gerçekleştiğini, her türün hangi elementleri ve hangi miktarlarda ürettiğini ve süpernova gibi diğer olayların oynadığı rolü bilmeleri gerekiyor. Bu daha yeni başlayan göz korkutucu bir girişim.

Levan, "Periyodik tablodaki her bir elementin oluştuğu astrofiziksel bölgelerin belirlenmesine yönelik temel bir hedef hâlâ var" dedi. "Hala boşluklar var ve bu nedenle bunun önemli boşluklardan birkaçını doldurmaya başladığını düşünüyoruz."

Editörün notu: Flatiron Enstitüsü, editoryal açıdan bağımsız bu dergiyi de finanse eden Simons Vakfı tarafından finanse edilmektedir. Ne Flatiron Enstitüsü ne de Simons Vakfı'nın kapsamımız üzerinde herhangi bir etkisi yoktur. Daha fazla bilgi mevcut okuyun.